激光光谱-05-激光光源01
光声光谱和激光光谱
光声光谱和激光光谱光声光谱和激光光谱是两种不同的光谱分析技术。
光声光谱是通过声波与光波之间的相互作用来研究物质的光谱特性，而激光光谱是利用激光与物质之间的相互作用来研究物质的光谱特性。
光声光谱技术是利用声波的特点和能量与光波的特点和能量相互转换来实现的。
在光声光谱技术中，首先使用一个激光光源产生一个强光束，然后将这个强光束聚焦到需要研究的样品上。
当强光束与样品相互作用时，会产生声波信号。
这些声波信号会通过一个声波传感器来探测和记录。
通过记录声波信号的时域特性和频域特性，可以得到样品的光声光谱信息。
光声光谱可以提供有关样品的结构、成分、形貌和物理性质等信息。
光声光谱技术具有分辨率高、灵敏度高、无损检测等优点，被广泛应用于材料科学、药物研究、生物学等领域。
激光光谱技术是利用激光与物质之间的相互作用来研究物质的光谱特性。
激光是一种特殊的光源，具有高亮度、高单色性和高相干性等特点。
在激光光谱技术中，首先使用一个激光器产生一束具有特定波长和能量的激光光束，然后将激光光束照射到需要研究的样品上。
当激光光束与样品相互作用时，会发生吸收、散射、发射等光谱现象。
这些光谱现象会通过光谱仪器来探测和记录。
通过分析记录下来的光谱信号，可以得到样品的光谱信息。
激光光谱可以提供有关样品的能级结构、能量转移、光谱分布等信息。
激光光谱技术具有高分辨率、高灵敏度、速度快等优点，被广泛应用于化学、物理、生物、环境科学等领域。
光声光谱和激光光谱之间存在着不同的工作原理和应用范围。
光声光谱主要用于研究材料的结构、成分和物理性质等方面，可以提供材料的超声波声速、吸收系数、非线性参数等信息。
激光光谱主要用于研究物质的能级结构、能量转移和光谱分布等方面，可以提供物质的发射光谱、吸收光谱、荧光光谱等信息。
光声光谱和激光光谱在应用中都具有重要的地位。
光声光谱主要应用于材料科学、药物研究、医学诊断、环境检测等领域。
例如，在材料科学中，光声光谱可以用于研究固体材料的声学性质、热传导性能、材料界面的结构等方面。
激光光谱测量技术
激光光谱测量技术
激光光谱测量技术是一种利用激光光源进行光谱测量的技术。
它基于激光的单色性和高亮度特点，可以提供高分辨率和高灵敏度的光谱测量结果。
激光光谱测量技术可以应用于多个领域，包括化学分析、生物医学、材料科学等。
它可以用于检测和分析物质的化学成分、浓度、结构等信息。
激光光谱测量技术的基本原理是通过将待测样品与激光光源进行相互作用，测量样品对激光光源的吸收、散射、荧光等光学响应，从而获取样品的光谱信息。
通过对测得的光谱数据进行分析和处理，可以得到样品的相关性质和参数。
激光光谱测量技术有多种实现方式，包括光吸收光谱、拉曼光谱、荧光光谱等。
其中，拉曼光谱是一种常用的激光光谱测量技术，它可以提供物质的分子振动信息，用于物质的鉴定和分析。
总之，激光光谱测量技术是一种高分辨率、高灵敏度的光谱测量方法，可以应用于多个领域，为科学研究和工业技术提供了重要的分析手段。
激光光谱学的介绍
激光光谱学的介绍一、引言光谱学是研究物质和电磁波相互作用的科学，而激光光谱学是对在激光器发明之后，使用激光作为光源来进行的原子、分子的发射光谱、吸收光谱以及非线性效应所做研究的通称。
激光光谱学是自激光技术出现以来在传统光谱学基础上发展起来的一门新兴学科。
传统光谱学已有300多年的历史。
1666年伟大的科学家牛顿用棱镜发现了光的色散现象，由此开始了光谱学的发展，不过在起初的一百多年内，其发展极为缓慢，直到1814年著名的物理学家夫琅和费用他发明的棱镜光谱仪观察到太阳谱线开始，才逐渐进入光谱学发展的盛期，除了对吸收与发射光谱的研究外，还相应发展了对散射光谱的研究，特别是喇曼散射的发现，即在光发生散射时，除了原有频率之外，散射光中还有一些其它频率的光出现，通过喇曼散射可以研究物质的结构与组成等！其实光谱学作为一门实用性学科是由物理学家和化学家共同开创起来的。
到20世纪初，传统光谱学已经十分成熟并在冶金、电子、化工、医药、食品等工业部门都成为相当重要的分析手段。
尽管传统的光谱学在物质研究中获得了多方面的应用，但在激光问世之前，它的进一步发展已经面临着不可逾越的鸿沟。
首先传统光谱学使用普通光源，探测分辨率低，而增强其单色性，又不得不以降低光强为代价，这样又会影响到探测的灵敏度，此外，在弱光辐射下光谱中的许多非线性效应表现不出来，因此包含物质结构深层次的信息被阻断。
60年代高强度、高单色性激光的出现给光谱学这门学科注入了新的活力，在其后发展的激光光谱学中，激光光源的优越性被发挥的淋漓尽致。
比如激光的单色性使分光器件分辨率提高，高强度提高了探测的灵敏度，而且强光与物质粒子的相互作用中，产生了各种可观测的非线性光谱效应；此外激光的高度方向性又使对微区或定点的光谱分析成为可能。
在激光光谱学中，作为光谱分析手段的激光光谱技术由于其高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率也倍受重视，在许多科学技术领域有着非常广泛的应用前景！二、激光光谱学技术的应用1、化学把激光光谱技术与光化学结合，工艺技术简单、设备小、效率高、成本低。
激光光声光谱技术
激光光声光谱检测技术激光光声光谱技术作为一种高灵敏度的微量气体检测技术历史已经超过30年，几乎同红外气体检测技术一样长。
这两种检测技术的共同点都是利用气体分子吸收红外线的特性，二者的区别在于光源。
红外检测技术是利用红外线做光源，是广谱的光源，即使经过滤光片依然是广谱的光源，所以红外气体传感器的选择性差灵敏度低。
激光光声光谱技术采用激光器做光源，是单一频率的光源，光源的频率可以和气体分子的吸收频率一致，所以激光光声光谱技术的特点是选择性好灵敏度高。
一、激光光声光谱气体检测技术原理光声气体检测原理是利用气体吸收一强度随时间变化的光束而被加热时所引起的一系列声效应。
当某个气体分子吸收一频率为ν的光子后，从基态E0跃迁到激发态E1，则两能量级的能量差为E1-E0=hv。
受激气体分子与气体中任何一分子相碰撞，经过无辐射驰豫过程而转变为相撞的两个分子的平均动能(既加热)，通过这种方式释放能量从尔返回基态。
气体通过这种无辐射的驰豫过程把吸收的光能部分地或全部的转换成热能而被加热。
如果入射光强度调制的频率小于该驰豫过程的驰豫频率，则这光强的调制就会在气体中产生相应的温度调制。
根据气体定律,封闭在光声腔内的气体温度就会产生与光强调制频率相同的周期性起伏。
也就是说,强度时变的光束在气体试样内激发出相应的声波,用传声器便可直接检测该信号。
气体光声检测系统通常由激光器(或普通单色光源)、调制器(使光束作强度调制,例如机械切光器、电光调制器等)、充有被测吸收气体和装有检测传声器的光声腔以及信号采集处理系统组成。
利用光声原理实现的气体检测技术是基于气体的特征红外吸收,间接测量气体吸收的能量，因此测量灵敏度高，检测极限低，切不存在传感器老化的问题。
1971年Kreuzer从理论上分析利用染料激光器和高灵敏度穿声器的光声技术的检测极限达到10-12数量级，比传统的红外光谱仪灵敏度高104倍。
二、LLD-100型高灵敏度快速响应的SF6定量检漏仪SF6气体泄漏检测仪一般都要求体积小、重量轻、用电池供电以适合电力系统现场使用，但激光光声光谱气体技术中所需要的激光器一般体积都很大、功率消耗也很大，所以制造出的仪器体积庞大而且需要交流电供电，不适合电力系统现场使用。
01激光拉曼光谱法
(3) 激发光是可见光，在可见光区测分子振动光谱。 (4) 拉曼光谱中的基团振动频率和红外光谱相同。
酮羰基的伸缩振动在红外光谱中位于1710cm-1附近， 而拉曼光谱中总在（1710土3）cm-1。
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②拉曼活性振动 诱导偶极矩 = E
非极性基团，对称分子。 拉曼活性振动-伴随有极化率变化的振动。
对称分子： 对称振动→拉曼活06性:0。8:5不5 对称振动→红外活性
(二) Raman光谱
CCl4的Ramam光谱图
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1. Raman光谱特点
(1) 拉曼光谱记录的是stoke 线。 (2) 测量相对单色激发光频率的位移。
(1) 对不同物质： 不同。
(2) 对同一物质： 与入射光频率无关；表征分子振-
转能级的特征物理量；定性与结构分析的依据；分子振-转
光谱；与红外光谱互补。
(3) Raman散射的产生：光电场E中，分子产生诱导偶极
矩，即
= E
分子极化率，分子电子云分布改变的难易程度。
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4）环状化合物的对称呼吸振动常常是最强的拉曼谱 带。形成环状骨架的键同时振动。
5）在拉曼光谱中， X＝Y＝Z，C＝N＝C，O＝C＝O 这类键的对称伸缩振动是强谱带，反之，非对称伸 缩振动是弱谱带。红外光谱与此相反。
6）C—C伸缩振动谱带在拉曼光谱中强，红外光谱中弱。
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3.实验结束，首先取出样品，关断电源。 4.注意激光器电源开、关机的顺序正好相反。
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四、 激光拉曼光谱法的应用
激光拉曼光谱详解
拉曼散射的发展
1928年，印度物理学家拉曼（G.V.Raman）首次发现拉曼 散射效应，荣获1930年诺贝尔物理学奖。 1928——1930年，拉曼光谱成为研究光谱的主要手段。因 为拉曼光谱喇曼频率及强度、偏振等标志着散射物质的性 质。
1940——1960年，拉曼光谱地位一落千丈，主要是因为拉 曼效应太弱，并要求被测样品体积足够大、无色、无尘埃、 无荧光等。
按照统计分布率，分子数在热平衡下按 能量的分布为玻耳兹曼分布，其中α为 能级E的简并度，因此布居在较高能级上 的分子数要少于较低能级上的，这就使 频率增加的散射谱线（反斯托克斯线） 的强度要比频率减少的散射谱线（斯托 克斯线）弱些。
邱 东 敏
拉曼原理
Rayleigh scattering: I λ-4
hn hn’ n = n’ n = n’
n = n’ 这种现象称为拉曼散射 激发态
anti stokes
stokes
虚能级 准激发态
பைடு நூலகம்基态
Raman Rayleigh Raman scattering
为何斯托克斯谱线强度比反斯 托克斯谱线大？
窄的激光器，多波长激光器一起
使用，这样拉曼效果才能出来比较好
何谓瑞利散射、拉曼散 射、斯托克斯散射、反 斯托克斯散射？
瑞利散射
当一束激发光的光子与作为散射中 心的分子发生相互作用时，大部分 光子仅是改变了方向，发生散射， 而光的频率仍与激发光源一致，这 种散射称为瑞利散射。
拉曼效应
光通过介质时由于入射光与分子运动 相互作用而引起的频率及方向发生变 化的散射。其散射光的强度约占总散 射光强度的10－3。拉曼散射的产生原 因是光子与分子之间发生了能量交换， 改变了光子的能量。
激光光谱-01-吸收与发射、线宽与线形
En Ev Er so that H n Tn Vnn Ee Q
e v r
E Ee Ev E r
29
刚性转子
• 刚性转子近似：分子的原子核之间，由刚性的、无 质量的棒相连。 • 除核自旋之外的所有角动量(原子核转动、电子轨、 以及电子自旋)，用J表示。 2
Ps z ms
s
ms 1 2
26
氢原子的能级
电子与QED真空（量子化辐射 的基态）的作用，产生移位和 分裂。Lamb shift
射电天文 观测谱线
精细结构 fine structure
超精细结构 27
多粒子体系的Hamiltonian量
2 2 1 2 2 H i A 2m i 2 M 4 0 A A
g i Ei kT Ni N e Z E1 kT E2 kT B21 ( ) A21 g1e B12 ( ) g 2 e A21 B21 ( ) g1 B12 h kT e 1 g 2 B21
N1 B12 ( ) N 2 B21 ( ) A21
1 1 RH 2 2 n' ' n'
• Balmer总结了一个线系的规律，Rydberg等人将它扩展到氢 原子的其它谱线。
22
氢原子电子运动的径向分布
23
氢原子电子运动的角度分布
• 分节面,或者 节点(Nodal surfaces, or nodes) • 角量子数/磁 量子数与角动 量的关系
– 主量子数n：无约束 – 角动量及其分量的量子数：0, 1
• 振动能级之间的跃迁
– 不同电子态的振动能级之间：无约束，大小正比于重叠积分（FrankCondon原理） – 同一电子能级内的振动能级之间：要求分子具有固有电偶极矩；振 动量子数v变化1
激光光谱学
第一张基本概念：1.能级寿命是指自发辐射能级寿命，能级寿命与自发辐射系数互为倒数关系。
2.自发辐射与受激辐射的区别：(1)受激跃迁与自发辐射，前者与外场揉(谬)有关，而后者则只取决于原子、分子系统本身，与外场揉(谬)无关。
理论和实验证明受激辐射光子与入射光子具有四同（同频率、同位相、同波矢、同偏振），即受激辐射光子与入射光子属于同一光子态（光波模式），受激辐射光是相干光，而自发辐射是非相干的随机过程。
(3)自发辐射系数A21与受激跃迁系数的关系：在热平衡条件下，能级E1、E2的粒子数N1、N2应保持平衡，则有: 3. 光子简并度n 为受激辐射几率与自发辐射几率之比，前者产生相干光子，后者产生非相干光子。
4. 激光器的三要素：（1）工作物质(气体、固体、液体、半导体等);(2）泵浦源：二者可实现粒子数反转，实现光放大。
（3）激光谐振腔 ---实现选模和光学正反馈。
5.线宽：分布函数半最大值所对应的频率宽度叫线宽—半最大值全宽，线宽内部分叫谱线的核,外部部分叫翼。
6.光谱学中常见的谱线展宽有：自然展宽、碰撞展宽、 Doppler 展宽。
自然加宽：由于自发辐射的存在，导致处于激发态的粒子具有一定的寿命，使得所发射的光谱具有一定的线宽称为自然加宽。
7.碰撞又分为弹性碰撞和非弹性碰撞：弹性碰撞，碰撞对之间没有通过无辐射跃迁所进行的内能交换时，称为弹性碰撞。
非弹性碰撞，碰撞对A 、B 在碰撞期间，A 的内能完全的或部分的转移给了B(或成为B 的内能或转变为A 、B 的平动动能)，有内能变化，称为非弹性碰撞，也叫淬灭碰撞。
小距离弹性碰撞主要引起谱线加宽，而大距离弹性碰撞主要引起频移。
8.Doppler 加宽：由于气体原子、分子的热运动而具有一定的速度分布，一定速度的粒子相对于探测器来讲，都会产生Doppler 频移，这样具有一定速度的粒子只对谱线的某一频率范围有贡献，总体效果使得谱线加宽，Doppler 加宽的谱线线型为高斯线型。
激光光谱学PPT课件PPT课件PPT学习教案
会计学
1
激光光谱学参考书： 《激光光谱学原理和方法》黄世华 编著 其它参考书目： 1．《激光光谱学的基础和技术》W. Demtroder（戴姆特瑞德）著；黄潮 译 Chap. 1－3。 2．《光的量子理论》R. Loudon 著；于良 等译 Chap. 1，3，8，9。 3.《近代量子光学导论》彭金生 李高翔 著 Part. I Chap. 1，2；Part. II, Chap.1 4．《量子力学》 曾谨言 编著 Chap. 11，量子跃迁 5．《光学》 赵凯华 钟锡华 著 Chap. 2，4，5，8，9 6．《超短脉冲激光器原理及应用》 J. 赫尔曼；B. 威廉 著 Chap.1－4，8，9 7.《激光物理学》 邹英华 编著 Chap. 1，4，6－10 8．《 Laser and Electro-Optics 》Christophor C. Davis Chap. 1，2，6，23， 9.《概率论与数理统计》 10.《电动力学》 曹昌淇 著 11.《Electricity and Magnetism》Berkeley Physics Course Vol.2, E. M. Purcell Chapter. 6，7，9，10。
Wif
2π
|
f
| H | i |2 δ
(E f
Ei )
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根据d 函数的性质，上式也可以写为：
Wif
2π 2
|
f
| H | i |2δ
(ω
ω fi )； δ (ω ) 1δ (ω )
式中设微扰是由能量的光子引起的， fi = (Ef - Ei)/
(1) 吸收：i fi f , 吸收引起终态 f 布居N f 变化
激光荧光光谱分析
荧光分析中最重要的一类方法是原子荧光分析.原子荧光是一种辐射的去 活化过程.其机理是原子受到某一合适的波长的辐射能量的激发,接着辐射去活 化而发出辐射——荧光.荧光的波长可以和激发的波长相同,也可以不同.不同 时多为荧光波长比激发波长长.荧光波长比激发波长短的情况极少.荧光波长和 激发波长相同的荧光称为共振荧光.荧光波长和激发波长不同的称为非共振荧 光.
0.06ng/ml. 此外,N.Omentto等人还将激光和ICP联用,对ICP电感耦合等离子
体中的原子进行荧光探测.它具有很高的空间分辨率和优良的信噪比. 虽然,迄今为止作为商用仪器的激光激发原子荧光光谱分析装置还
没有出现,但是,随着这种方法的大量研究和使用,它必将逐渐的变为一 种有效的痕量分析的新方法,因而也必将跟着有成熟的商品仪器问世.
此外还有一种荧光称为敏化荧光.它的产生是被外部光源激发的原子或分 子通过碰撞把自己的激发能转给待测原子,然后待测原子通过辐射去活化而发 出原子荧光.当两个或多个原子激发同一原子,此原子跃迁到较高的激发态,然 后去活化而跃迁回到基态,这时产生的荧光称为多光子荧光.最常产生的是双光 子荧光,其波长是激发波长的二分之一.图1用能级图表示了共振荧光与非共振 荧光的简单原理.
激光荧光光谱分析
一、基本原理及发展
原子蒸汽的荧光现象早在十九世纪末期和二十世纪初期就 有人研究过,用太阳光通过聚焦作用作为激发源,试管中装有要检 查的试样,用肉眼来检测在太阳激发后试样所发出的荧光,以辨别 新的化合物,此后荧光测量装置逐步发展并完善起来.但是,因为 长期没有得到荧光强度和试样浓度之间的线性关系,所以这种分 析方法到本世纪四十年代末还不能认为是可信赖的.
激光拉曼光谱的原理
激光拉曼光谱的原理
激光拉曼光谱（Laser Raman Spectroscopy）是一种非常强大的分析技术，它利用激光光源和拉曼散射效应来获得样品的分子结构和化学成分信息。
激光拉曼光谱的原理可以概括如下：
1. 激光光源：激光拉曼光谱的核心是激光器，通常使用单色激光源，如氦氖激光器（He-Ne）或激光二极管激光器（例如Nd:YAG激光器）。
激光光源发出单一波长的激光光束，通常是可见光或近红外光。
2. 样品激发：激光光束照射到待分析的样品上。
激光光子与样品中的分子相互作用，引起分子的振动、转动和能级变化。
这些过程会导致光子的散射。
3. 拉曼散射：当激光光子与样品中的分子相互作用时，部分光子的能量会发生微小的频率变化，这就是拉曼散射。
拉曼散射产生的光子具有不同的频率或波数，其中一些频率高于激光光子，而另一些则低于它。
这种频率变化的光子被称为拉曼散射光子。
4. 原始光与拉曼散射光的分离：拉曼散射光子与原始的激光光子分开，通常通过使用光谱仪中的光栅或其他分光元件。
这使得能够将拉曼散射光子分离并记录其频率。
5. 光谱分析：分离后的拉曼光谱通过光谱仪传递到检测器上，记录不同频率（波数）下的光强度。
这个拉曼光谱包含了样品中不同分子的振动和转动模式的信息。
6. 数据解释：通过分析拉曼光谱，可以识别样品中的不同分子、它们的浓度以及分子之间的相互作用。
这使得激光拉曼光谱成为一种非侵入性、非破坏性的分析工具，可用于化学、材料科学、生物学和环境科学等领域。
总的来说，激光拉曼光谱的原理是基于激光散射的现象，通过测量拉曼光谱，可以提供有关样品分子结构和成分的宝贵信息。
激光技术中的激光光谱与激光成像
激光技术中的激光光谱与激光成像激光技术中的光谱与成像激光技术是现代科技领域的重要分支之一，主要包括激光光源、光电探测与成像三个部分。
其中，激光光谱与成像是激光技术中最重要的两个方面，它们在实际应用中都具有广泛的用途。
下面将从光谱和成像两个方面进行探讨。
激光光谱激光光谱是指激光发射的光在波长维度上的分布，也就是激光的“颜色”，其包含了激光器的光学、材料、电子、热学、光学等诸多方面的物理特性。
激光光谱可以通过光谱仪进行测量和分析，其对于激光技术的研究和开发至关重要。
在实际应用中，激光光谱在物质分析、光谱学、医学成像等领域中都具有广泛的应用。
激光光谱的基本特性包括激光器类型、波长、谱线宽度、激光功率等。
不同类型的激光器具有不同的光谱特征。
例如，氦氖激光器的波长范围在630~680nm之间，二氧化碳激光器的波长为10.6μm等。
在实际测量中，激光光谱的精度和稳定性都是非常重要的因素。
通过精确的光谱分析，可以获取到更多的信号信息，并指导激光技术的研发和应用。
激光成像激光成像是指利用激光作为光源，通过对物体的反射、散射、透射等特性进行测量和分析，获得物体的三维形态、内部构造及其材料特性等信息。
激光成像具有高分辨率、高精度的特点，并且在各个领域中都有着广泛的应用。
激光成像技术有多种形式，如激光雷达、激光扫描成像、激光线扫描成像等。
激光雷达是利用激光束进行测量，通过对激光反射信号的分析和处理，获取目标物体的位置和形态等信息。
激光扫描成像是指通过激光对目标物体进行扫描，将其三维形态转化为二维图像。
激光线扫描成像是指利用激光在物体表面上沿线扫描，获取高精度的三维坐标。
激光成像技术在多个领域中都得到了广泛的应用。
在工业制造领域中，激光成像可以用于精度加工、检测、测量等方面，提高生产效率和产品质量。
在医学应用中，激光成像可以用于组织学分析、医学影像等方面，帮助医生进行准确的诊断和治疗。
在军事、航空以及安全监测等领域中，激光成像也有诸多的应用。
激光光谱-01-吸收与发射、线宽与线形详解
14
2. 光的吸收与发射
• 热平衡辐射（黑体辐射）
– 辐射模式热平衡 – Planck定律 – 辐射体的热平衡 – Einstein系数
• 吸收谱与发射谱，原子分子光谱的基本特征 • 跃迁几率 • 偏振、相干
15
腔模
• 电磁波的一般表示形式 E ReE0 exp(it k r )
7
棱镜分色
Spectroscopy, wikipedia; D-Kuru/Wikimedia Commons
8
太阳谱暗线，火焰线状发射谱
• Wollaston, 1802
– 在棱镜前设置狭缝：太阳谱中有几条黑线，其后被称作Fraunhofer线； – 烛光火焰内部的光谱: 5条明亮的谱线，谱线间为暗区，首次观测到 火焰的线状发射谱。
• 15年后，Fraunhofer对这两个发现进行了系统的研究
– 实验方法的显著改善：用安装在经纬仪上的望远镜进行观测。 – 烛光，发出两条相邻的明亮黄线. – 太阳谱B – H之间，754条暗线，其中350条得到精确测量。在橙和黄 之间，D，双暗线，与烛光中双亮线一致。 – 高质量的光学系统、丝线光栅、刻线光栅(密度321g/mm)：暗线位置 精确化
( )d
8 kT d 3 c
kT
– Rayleigh-Jeans定 1 2 律，高频发散。 z exp h kT h
z
1 qh p(q) exp-qh kT z 1 kT q 0 q 0
h exph kT 1
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太阳黑线 – Fraunhofer lines
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光谱分析实验
• Kirchhoff and Bunsen, 1860
激光光谱学中的光源
3 受激辐射
恰出好与原满外子足 来中光h处子于一E高样2 能特E级征1 )E的的2光诱的子发电,下子这向,会叫低在受能外激级来辐光E射1子跃. (迁其,频并率发
可以设想，如果大量原子处在高能级E2上，当 有一个频率 =（E2-E1）/h的光子入射，从而激 励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完 全相同的光子，这两个光子又激励E2能级上原 子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相 同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。 这种在受激辐射过程中产生并被放大的光，就 是激光。
1、光子在腔内的平均寿命τR
δ为各种原因引起的总损耗因子
2、无源腔的Q值 ε为存储在腔内的总能量，P单位时间内损耗的能量 腔损耗越小，Q越高
激光器模式：横模和纵模
横模：反映激光输出横截面上的光强度分布情况
1）定义：谐振腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布 激光器输出光束在屏上形成的光斑形状直观地显示了横模形式， 2）激光横模的表示法：TEMmnTEM表示横电磁，m,n为序数，分别表示水 平（x）和垂直（y）方向的极小值数目；TEM00表示基横模
基横模时腔内场分布
横模选择
在许多应用中，要求激光器具有很高的光束质量（方向性）。 从振荡模式中选出基横模TEM00，并抑制其他高阶振荡模，基模衍射损耗最 小，能量集中在腔轴附近，使光束发散角得到压缩，从而改善其方向性。
纵模：反映激光器的工作频率，当光在腔内往返一周其相位变化
为π的整数倍时，形成驻波，这时腔内的稳定光场分布称为纵模
3．谐振腔
光在放大介质中经历的路程越长，和越多的原子发生作用，才能获得越有效
的光放大。但是把工作物质作得无限长是不现实的。
所谓光学谐振腔，实际上是在激光器两端，面对面地装上两块反射率很高的 平面镜，一块平面镜对光几乎全反射，另一块则让光大部分反射，少部分透 射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。光学谐振腔的作用为：①提供光 学正反馈，②限制激光的模式。
激光吸收光谱技术PPT课件
1 e kT
hc0
1 e kT0
R(T ) A1 S1 T0, 1
hc
E1 E2
1
1
e
k
T T0
A2 S2 T0,2
33
第33页/共85页
激光光谱的用途（3）
测量温度
Laser sp第ectr3o4sc页opy/共and8i5ts页application
34
提高激光光谱的探测灵敏度的方法：
ln( I0 ) SXP L
I
1、压制噪声 2、选择S 3、增大吸收路径
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第二节 高灵敏度吸收光谱技术
1. 频率调制光谱技术 1.1 基本原理
透过吸收池的光强来获得吸收光谱的背景噪声来源： ① 吸收池窗的吸收； ② 激光强度的起伏； ③ 吸收池内被测分子的密度起伏。 由于背景噪声的频谱在低频段，采用对激光频率
• 如：将入射激光I(υ)分成探测光束I1(υ)=βI(υ)与参考光束I2 (υ)=(1-β)I(υ) ，β为分束器的分束比。参考光 束I2(υ)直接到达探测器PD2; 探测光束I1(υ)在穿过样品池后到达探测器PD1，光强为I1′(υ) ，设被样品吸收 的光强为ΔI(υ) ，则
I1'( ) I1( ) I ( )
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调制光谱技术：波长调制光谱与频率调制光谱。 两者的主要差别：调制频率和调制幅度
波长调制：调制幅度大(接近被测谱线的线宽)，而调制 频率较低(数kHz到数十kHz) ； 频率调制：调制幅度较小但调制频率很高(~数百MHz， 与被测谱线的线宽相当) 。 频率调制在数百MHz的频率调制，各种噪声已降低到可 忽略的水平，因此可以达到高的检测灵敏度。但频率调 制光谱的解调困难，检测结果的分析比较复杂，因此波 长调制光谱相对实用。
激光拉曼光谱仪的激光光源
激光拉曼光谱仪的激光光源
激光拉曼光谱仪的激光光源通常使用激光器作为光源。
常见的激光光源包括：
1. 氦氖激光器（He-Ne Laser）：氦氖激光器是最常用的激光光源之一，它发射的激光波长为63
2.8纳米（红光），适用于一些常见的拉曼光谱分析应用。
2. 氩离子激光器（Ar Laser）：氩离子激光器发射的激光波长通常在488纳米至514纳米之间，适用于一些特定的拉曼光谱分析应用。
3. 二极管激光器（Diode Laser）：二极管激光器可以提供多种波长的激光光源，包括红光、绿光和蓝光等。
它们通常比较紧凑和稳定，适用于便携式和实时监测的应用。
4. 固体激光器（Solid-state Laser）：固体激光器通常使用钕（Nd）或铒（Er）等离子体作为激活剂，可以提供多种波长的激光光源，包括红光、近红外光和紫外光等。
这些激光器通常具有较高的功率和较窄的线宽，适用于高分辨率和高灵敏度的拉曼光谱分析。
5. 光纤激光器（Fiber Laser）：光纤激光器利用光纤作为激光介质，可以提供多种波长的激光光源，具有较高的功率和较窄的线宽。
光纤激光器通常比较紧凑和稳定，适用于便携式和实时监测的应用。
这些激光光源可以根据实际需求选择，以满足不同的拉曼光谱分析应用要求。
激光等光源发射光谱的测量解析
激光等光源发射光谱的丈量关于很多光源，如激光、灯源等，需要知道它们的光谱特征，丈量光谱特征最方便的装置是光谱仪。
光谱仪即能够选择大型的扫描式光谱仪，也能够选择目前流行的微型光纤光谱仪〔多通道〕。
大型光谱仪拥有波长分辨率高、波长范围宽的长处，根本能够知足全局部的应用。
微型光纤光谱仪那么价钱低价，仅是大型光谱仪的零头；携带方便，也便于集成到其余设施；丈量速度快，最快几毫秒既能够收集保留一组数据；操作方便；性能靠谱、稳固，因为它关于很多光源，如激光、灯源等，需要知道它们的光谱特征，丈量光谱特征最方便的装置是光谱仪。
光谱仪即能够选择大型的扫描式光谱仪，也能够选择当前流行的微型光纤光谱仪〔多通道〕。
大型光谱仪拥有波长分辨率高、波长范围宽的长处，根本能够知足全局部的应用。
微型光纤光谱仪那么价钱低价，仅是大型光谱仪的零头；携带方便，也便于集成到其余设施；丈量速度快，最快几毫秒既能够收集保留一组数据；操作方便；性能靠谱、稳固，因为它里面没有任何需要挪动的零件。
在知足使用要求的前提下，微型光纤光谱仪是一种最正确的选择。
图 1 典型激光发射光谱测量装置激光发射光谱丈量图 2 是激光丈量的实质装置不同的光源，需要丈量的参数不同样。
关于激光，只需测它的谱线宽度即可，此时的装置能够采纳如图 1 所示部署。
该装置主要由光谱仪和积分球构成。
入射激光由积分球接收，再经光纤传入光谱仪，激光芒宽数据能够直接读出。
图2 是激光丈量的实质装置，图3 是测得的实质光谱数据数据。
表 1 是该系统的详细配置清单：图 3 用图 1 的装置测得的激光光谱数据表 1 激光发射光谱丈量系统典型配置</ tr >一、光谱仪HR4000波长范700-880nm围：波长分辨率：二、丈量软件Spectrasuite三、积分球〔可选〕ISP-REF四、传光光纤 1 根 QP400-2-VIS-NIR自然光、灯源等光谱丈量图 4 自然光、灯源等光谱丈量关于自然光、灯源等光谱，常常因为光谱范围较宽，需要知道不同波段之间的相对光强或绝对光强。
激光光谱仪的性能特点及应用
激光光谱仪的性能特点及应用激光光谱仪的基本原理激光光谱仪是一种能够测量物质的光谱信息的仪器。
它主要利用激光作为光源，通过物质与激光相互作用所产生的光谱变化来研究物质性质和结构等信息。
激光光谱仪主要由三个部分组成：激光光源、样品室和光谱仪。
激光光源产生高质量、单色、高能量密度的激光束，样品室包括样品的分析区和透镜，用于将激光束聚焦到样品上并收集所产生的散射光或荧光光；光谱仪用于分析收集到的光谱信息。
激光光谱仪的性能特点1.灵敏度高：在样品的较低浓度范围内，也能够准确测量出物质的光谱信息。
2.分辨率高：能够分辨出具有微小结构和程度的光谱线。
3.准确性好：能够准确测量不同物质的光谱信息。
4.速度快：可以快速完成样品的光谱分析。
激光光谱仪的应用激光光谱仪可以应用于物质分析和研究的多个领域：药物化学激光光谱仪可以帮助研究人员快速、精准地分析药物分子的结构和性质。
通过光谱信息，研究人员可以了解药物的化学组成、反应性和活性等信息，从而为药物的研发和改进提供依据。
环境科学激光光谱仪可以用于环境污染物的分析和检测。
通过分析污染物的光谱信息，研究人员可以判断环境污染的程度和种类，从而为环境保护提供依据。
材料科学激光光谱仪可以帮助材料科学研究人员研究材料的结构和性质。
通过分析材料的光谱信息，研究人员可以了解材料的物理化学性质和结构特征，从而为材料的改进和应用提供帮助。
总结激光光谱仪是一种高灵敏度、高分辨率、高准确性和快速的分析仪器，具有广泛的应用前景。
它可以应用于药物化学、环境科学、材料科学等多个领域，为科学研究和实际应用提供帮助。
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1. 2. Laser Spectroscopy, 4th Edition, Ch.5 激光光谱技术原理与应用，第3章 zuoduluo@
概要
1. 激光原理简单回顾 2. 单模激光的实验实现 3. 单模激光的调谐/单模激光的线宽
1. 激光原理简单回顾
• g参数； • 谐振腔； • 横模结构； • 纵模结构。
g参数
• g参数的定义：
• TEM00在球面镜上的光斑大小：
有些文献中，腔长用L表示。
ABCD矩阵及g参数计算
单程ABCD矩阵
* g1 L* * * ABCD g1 g 2 1 * g 2 * L
均匀加宽有源腔： 模式频率向增益曲线中心频率移动
2. 单模激光的实验实现
• 跃迁线(支线)选择； • 基横模运行； • 单纵模运行； • 连续调谐。
Ar+激光的激光线选择
Brewster棱镜：p偏振无反射透过。 支线选择的另一案例：选支 Littrow棱镜：反射镜与棱镜的组合。 调谐CO2激光
CO2激光器的支线选择
Michelson干涉选择单纵模
M2, M3: Fox-Smith Cavity
A: 吸收率
多线增益介质：同时选线与选单纵模 I
考虑反射的相移，相消干涉条件：
同时选线与选单纵模 II
棱镜选线； 双标准具选单纵模
同时选线与选单纵模 III
双折射干涉滤光片
CW dye laser
Pulsed dye laser
1 x2 y2 2 R r , z 1 m n arctan 1 2 R 1 4 1 2 2z R x 2 y 2 2 Equal phase plane : z const. 2 2R 1
H Kogelnik, and T Li, “Laser beams and resonators,” Proc IEEE, 54 pp.1312-29 (1966).
高阶模（迪卡尔坐标）
x y g h exp w k 2 j P r 2q k 2 j P r 2q
– 上一级的激光辐射促成下 一级激光辐射的粒子数反 转； – 腔外棱镜或光栅选线。
横模的抑制
g参数
• 横模抑制的根本措施：选择合 适的谐振腔光阑大小，a 3w/2，基模衍射损耗小于1%。 纹波小于1%， a 5w/2。 • 由于横模的模式竞争，光阑大 小的要求，可以有所放松: 基 模振荡使高阶模的增益降低。
02 q q0 z j z
1 1 j 2 q R
j j P 2 ln 1 jP z 0 2 q z j 0 z
2
2 j arctan z 0
thus 0 jk 2 1 2 u r , z exp j kz r 2 where arctanz 0 2 R
谱线标志: …, P(18), P(20), …, …, R(18), R(20), …
光束扩束准直有利于提高分辨率
He-Ne激光器的激光线选择
• 公共上能级或下能级： 抑制一支，加强另一支。
– CH4吸收池：抑制3.39 m； – 棱镜。
• 级联跃迁(cascade transitions，2.39 m)：
腔镜机械振动的隔离
腔长的主动控制：压电陶瓷反馈调节
0附近，PH D2主要探测到2f频 率；远离0，f频率，信号强度正比 于波长偏差。
压电陶瓷反馈调节 II
波长稳定在FPI透过率的斜边。 不需要对FPI的透过率进行调制，省略了锁相放大。
3. 单模激光器的可控波长调谐
• 连续调谐技术； • 单模激光波长的标定。
Lyot Filter
光强稳定
• 激光光谱的信号强弱直接与光强相关，稳定的光强 对简化数据分析过程有极大帮助。 • 稳定措施举例：反馈调节电源；输出光调节。
低速，某些激光器稳定度达0.5%
高速，但功率损耗达20 – 50%
波长稳定
• 共振方程： • 腔长或折射率变化将引起波长/频率变化：
• 腔长、折射率漂移的原因：温度，气压波动。 • 解决方案：提高温度、气压稳定性；反馈调 节。
高斯光束 – 波动方程的近似解
2 2 2u k 2u 0 2 ik 0 2 2 z y x u x, y, z exp jkz k 2 exp j P 2q r where
无源腔模式频率分布
球面腔横模结构，高斯光束
非稳腔：球面波的传播
两种共焦非稳腔
正支 负支
环形腔
受抑全反射: 隐失波(倏逝波)耦合
单向环形腔的特点：行波模，无空间烧孔，充分利用增益介质。
环形腔的单向运行
• 光学二极管的基本原理：
– 线性双折射晶体或电光 晶体，产生线偏振的相 移(o光，e光)，偏振面旋 转角度仅与晶体有关， 与光束传播方向无关； – 圆双折射溶液或磁光晶 体，产生圆偏振的相 移，左旋、右旋的定义 与光传播方向有关，偏 振面旋转与光的传播方 向有关。
Amn
对称共焦腔的光场表达式 (笛卡尔Cartesian坐标) r x, y, z CH x H y exp w exp i z , r , R
2 * * m n
2
where 2x x w
*
2y y w
*
2 2 z d 2z 2 2 w z 1 w0 1 z 2 d 0
Etalon选择单纵模
• Etalon的透射峰：
mm 2nt cos
• Etalon的自由光谱范围： m m1 m 1 m • Etalon的角度：
2nt cos 2d m q m d cos q nt
增益线宽
m
m: Etalon干涉级次； q: 谐振腔纵模级次
单模激光的线宽
• 线宽的技术因素：nd的涨 落 • 激光器的共振线宽(c)， 对激光线宽起限制作用。 • 线宽的本质因素：
– 自发辐射； – 光子的统计分布； – 相位涨落：自发辐射受激放 大产生的相位涨落，线宽的 主要决定因素。Lorentzian线 型。 1. 理论线宽可达到10-4 Hz量级， 但实际线宽受限于nd的涨落； 2. 适当措施，单纵模激光的线宽 在10 kHz – 1 MHz ； 3. 最复杂的措施，1 Hz量级。
球面镜腔的ABCD矩阵计算例
0 1 L 1 0 1 1 ABCD 1 1 1 0 1 R1 R2 L L 1 R1 N. Hodgson, H. Weber, Laser 1 L L 1 resonators and beam propagation, R R 1 R 1 R 1 2 1 2 Springer, 2005. L g1 g1 g 2 1 g2 L
增益线宽
0 a c a Dispersion relation : n a 1 m 2 a Threshold condition : a 2d , r c 4d
ห้องสมุดไป่ตู้
谐振腔共振线宽
r r 0 m a r 1 m r r 0 r m
N th 1, N sp 1
Schwalow-Townes关系：
6. 小结
• 激光光谱中的激光器，有其特殊的要求：
– 窄线宽； – 可调谐； – 高稳定性：频率稳定，功率稳定。。
2x 2 y H n exp Hm w w z m, n; z m n 1 arctan 2 0
模式频率
arccos g1 g 2 mnq q m n 1 where for g1 0 and g 2 0 arccos g1 g 2
无源腔的模式频率
对称共焦腔，注意与对称共焦F-P干涉仪的比较。
即使纵模阶次相同，不同横模阶次， 仍有不同的模式频率。 在某些条件下，如果横模没有受到抑 制，可能出现模式频率的简并。
有源腔的模式频率 – 模式牵引
Passive cavity : 2 r 2d c 2m Active cavity : 2 a n a 2d c 2m
单纵模的选择
• 腔外选择：高选择性的滤波 手段，功率损失。 • 腔内单纵模选择的基本点： 纵模间距大于阈值上增益线 宽。
– 与增益曲线中心不重合： c 2d m – 重合：2 c 2d c d m
• 单纵模运行的实现方法：
– Etalon或者FP干涉仪； – Machelson干涉仪； – 宽增益介质：激光线选择与 单纵模选择相结合。
ABCD Law
02 q z jz0 z j
Aq1 B q2 Cq1 D Compared with that in ray optics : r2 A B r1 C D 1 2
连续调谐技术
• 激光线调节：光栅/棱镜调节； • 单纵模调节：
– 旋转Etalon调整透过峰位置，或者伸缩(棱镜)FPI – 压电陶瓷，或者旋转Brewster平板调整腔长
棱镜FPI 参考腔
Brewster平板
单模激光波长的标定