第十章小角激光散射
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通过受激辐射而引起光放大作用，是激光产生的 原因。
第十章小角激光散射
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二、粒子数反转 欲使受激辐射占优势，就必须利用某种方法，使原子
在能级上的正常分布情况（基态原子数>>激发态原子数） 倒转过来（激发态原子数>基态原子数）。这种现象称为 粒子数反转分布。
常用的方法称为光抽运或激励，例如用光束来照射工 作物质，或用电能和化学能来激励工作物质等。
第十章小角激光散射
2
第一节 激光和小角X射线散射的产生
一、 自发辐射和受激辐射 处于基态的原子吸收外来的能量后，被激发到高
能态。当在短暂的时间内跃回至基态时，可能以光的 形式释放其能量。这种光辐射称为自发辐射。
由于许多原子各自地进行自发辐射，所以发出的 光，方向不同，初相位也不相同，相干性很差。
如果处于激发态的原子受到与其它发射光子的方 向、频率、相位、偏振特性完会相同的入射光的光照 射，就会辐射出具有完会相同特征的光子。这种辐射 称为受激辐射。
聚合物结构分析
第十章 小角激光散射 X射线散射
第十章小角激光散射
光散射现象普遍存在于大自然中。
激光散射与一般光的散射在原理上是相同的，但由于 这种光源的强度高，单色性和方向性强，为光散射技术带 来革命性的进步。
激光具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等 优点。因此可以用来解决分析化学中存在的困难问题，如 单原子和单分子的探测，特高wenku.baidu.com敏度的超痕量分析，快速 反应的高速分析，结构和状态分析，生物活性物质的分析 等。
（一）激光振荡 在激光工作物质的两端装上反光镜，光就在反光
镜间多次来回反射。由于光程增长很大，使受激发射 光强急剧增大。这种现象称为激光振荡。
产生激光振荡的条件是两个反射镜之间的光必须 是驻波，波节在两个反射镜处。
此外，放大的增益必须超过由于偏离光轴、反射 镜的漫反射和吸收等造成的损失。
能使光放大的装置称为光学谐振腔。
快发展。1948年Zimm提出有名的作图法。目前，光散射 技术已经成为测定相对分子质量和研究高分子溶液性质的
重要方法之一。
第十章小角激光散射
13
在动态光散射方面，1934年Landau和Placzck以不传 播的局部温度涨落来解释“中心成分”，但由于缺乏强的单 色光源及高分辨的频谱仪，所以Landau-Plczck理论直到 1965年才得到精确的实验测定。
第十章小角激光散射
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4．染料激光器 染料激光器具有增益大、效率高、输出激光可在很 宽的波段范围内调谐等特点。染料激光器以染料作为工 作物质。 染料激光器采用光激励方式，常用的激励光源有： 单脉冲红宝石激光器，脉冲氮分子激光器，氩离子激光 器和特殊闪光灯等。他们可以激发出不同波长的染料激 光。输出功率亦可从1毫瓦至几百兆瓦。
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（二）激光特性
1． 单色性好 2．相位一致 3．方向性好 4．亮度高
第十章小角激光散射
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（三） 激光器 能够发射激光的装置称为激光器。一般激光器都具有 三个基本组成部分：激励能源（或称泵浦源）、工作物质 和光学谐振腔。 激励能源的种类很多。有光能如氙灯闪光、氮分子激 光器等，也可采用电能、化学能、热能、电子束等。 工作物质是实现粒子数反转分布的增益介质。它可以 是固体，如晶体、半导体、铷玻璃等；也可以是液体或气 体。 光学谐振腔是两块相互平行的反光镜，置于工作物质 的两端，这两块反射镜相对的面上镀有多层介质膜，一块 是全反射的，另一块是部分反射的。谐振腔的两块反射镜 使受激辐射的光在平行于腔轴的方向上进行反馈和振荡， 从而使光反复的放大。并通过部分反射镜，输出激光。
第十章小角激光散射
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四、小角X射线散射的产生及其与粉末粒度的关系
当一束极细的X射线光波穿过一纳米粉末层时，经颗 粒内电子的散射，就在原光束附近的极小角域内分散开来， 这种现象叫X射线小角散射。其散射强度分布与粉末的粒 度及其分布密切相关。
第十章小角激光散射
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第二节 光的散射和X光散射物理
Rayleigh在世界上首先以太阳光在大气中的散射现象 揭示了天空的颜色及散射光的行为。然后（1881、1889年） 他从Maxwell’s电磁波理论推导出相同结果，并发现对无相 互作用、无吸收的光学各向同性粒子，当其尺寸与入射光
波长相比是非常小时（d<<1/20l）,散射光量应正比于波长 四次方的倒数，这被称为有名的瑞利（Rayleigh）定律。
后来者又发展用于尺寸与波长相当（d～l）的有吸收 和各项异性的粒子体系。
1944年Debye将Einstein的涨落理论应用到高分子溶 液，建立了理论，测定了橡胶的相对分子质量，并得到很
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1．气体激光器 气体激光器是采用气体作为工作物质，以电能作为 激励能源，通过气体放电使电子与原子（离子或分子） 互相碰撞而产生激光的。常用的气体有He、Ne、Ar、 Kr、Xe、CO2等。
反射镜 钼筒 玻璃管 毛细管 工作气体
激光
激光
-直流电源
图10-1第氦十章-氖小气角体激光激散光射器结构示意图
处于粒子数反转分布的工作物质称为增益介质。当光 通过增益介质时，光就被放大。这一放大作用可用下列公 式表示
I = I0exp(GL)
式中 I0为初始光强，I为光通过距离L的增益物质后的 光强，G为增益系数(经过单位长度工作物质后，光增强的 百分率)，L为工作物质长度。
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三 激光振荡、激光特性和激光器
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2．固体激光器 固体激光器多以脉冲氙灯作为激励能源。这种激励 方式称为光激发。常用的工作物质有红宝石、铷玻璃、 钇铝石榴石（掺铷）三种。工作物质由激活离子和基质 两部分组成。
E3
无辐射跃迁
光激发过程
E2 受激辐射跃迁
h
h 光照
h
E1
第十章图小1角0-激2 光固散体射激光产生原理
9
3．半导体激光器 半导体激光器的体积小，效率高。常用的半导体激 光器有砷化镓（GaAs）,磷化铟(InP)，及某些三元合金 （例如GaAsxP1-x）等。激励方式有：电子束照射、光 激发以及向激光二极管的p-n结注入电流等。 半导体激光器多为脉冲式的，峰值功率可达几十瓦。 它可在0.32mm ~45mm范围内获得可调协的激光输出。
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二、粒子数反转 欲使受激辐射占优势，就必须利用某种方法，使原子
在能级上的正常分布情况（基态原子数>>激发态原子数） 倒转过来（激发态原子数>基态原子数）。这种现象称为 粒子数反转分布。
常用的方法称为光抽运或激励，例如用光束来照射工 作物质，或用电能和化学能来激励工作物质等。
第十章小角激光散射
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第一节 激光和小角X射线散射的产生
一、 自发辐射和受激辐射 处于基态的原子吸收外来的能量后，被激发到高
能态。当在短暂的时间内跃回至基态时，可能以光的 形式释放其能量。这种光辐射称为自发辐射。
由于许多原子各自地进行自发辐射，所以发出的 光，方向不同，初相位也不相同，相干性很差。
如果处于激发态的原子受到与其它发射光子的方 向、频率、相位、偏振特性完会相同的入射光的光照 射，就会辐射出具有完会相同特征的光子。这种辐射 称为受激辐射。
聚合物结构分析
第十章 小角激光散射 X射线散射
第十章小角激光散射
光散射现象普遍存在于大自然中。
激光散射与一般光的散射在原理上是相同的，但由于 这种光源的强度高，单色性和方向性强，为光散射技术带 来革命性的进步。
激光具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等 优点。因此可以用来解决分析化学中存在的困难问题，如 单原子和单分子的探测，特高wenku.baidu.com敏度的超痕量分析，快速 反应的高速分析，结构和状态分析，生物活性物质的分析 等。
（一）激光振荡 在激光工作物质的两端装上反光镜，光就在反光
镜间多次来回反射。由于光程增长很大，使受激发射 光强急剧增大。这种现象称为激光振荡。
产生激光振荡的条件是两个反射镜之间的光必须 是驻波，波节在两个反射镜处。
此外，放大的增益必须超过由于偏离光轴、反射 镜的漫反射和吸收等造成的损失。
能使光放大的装置称为光学谐振腔。
快发展。1948年Zimm提出有名的作图法。目前，光散射 技术已经成为测定相对分子质量和研究高分子溶液性质的
重要方法之一。
第十章小角激光散射
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在动态光散射方面，1934年Landau和Placzck以不传 播的局部温度涨落来解释“中心成分”，但由于缺乏强的单 色光源及高分辨的频谱仪，所以Landau-Plczck理论直到 1965年才得到精确的实验测定。
第十章小角激光散射
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4．染料激光器 染料激光器具有增益大、效率高、输出激光可在很 宽的波段范围内调谐等特点。染料激光器以染料作为工 作物质。 染料激光器采用光激励方式，常用的激励光源有： 单脉冲红宝石激光器，脉冲氮分子激光器，氩离子激光 器和特殊闪光灯等。他们可以激发出不同波长的染料激 光。输出功率亦可从1毫瓦至几百兆瓦。
第十章小角激光散射
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（二）激光特性
1． 单色性好 2．相位一致 3．方向性好 4．亮度高
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（三） 激光器 能够发射激光的装置称为激光器。一般激光器都具有 三个基本组成部分：激励能源（或称泵浦源）、工作物质 和光学谐振腔。 激励能源的种类很多。有光能如氙灯闪光、氮分子激 光器等，也可采用电能、化学能、热能、电子束等。 工作物质是实现粒子数反转分布的增益介质。它可以 是固体，如晶体、半导体、铷玻璃等；也可以是液体或气 体。 光学谐振腔是两块相互平行的反光镜，置于工作物质 的两端，这两块反射镜相对的面上镀有多层介质膜，一块 是全反射的，另一块是部分反射的。谐振腔的两块反射镜 使受激辐射的光在平行于腔轴的方向上进行反馈和振荡， 从而使光反复的放大。并通过部分反射镜，输出激光。
第十章小角激光散射
11
四、小角X射线散射的产生及其与粉末粒度的关系
当一束极细的X射线光波穿过一纳米粉末层时，经颗 粒内电子的散射，就在原光束附近的极小角域内分散开来， 这种现象叫X射线小角散射。其散射强度分布与粉末的粒 度及其分布密切相关。
第十章小角激光散射
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第二节 光的散射和X光散射物理
Rayleigh在世界上首先以太阳光在大气中的散射现象 揭示了天空的颜色及散射光的行为。然后（1881、1889年） 他从Maxwell’s电磁波理论推导出相同结果，并发现对无相 互作用、无吸收的光学各向同性粒子，当其尺寸与入射光
波长相比是非常小时（d<<1/20l）,散射光量应正比于波长 四次方的倒数，这被称为有名的瑞利（Rayleigh）定律。
后来者又发展用于尺寸与波长相当（d～l）的有吸收 和各项异性的粒子体系。
1944年Debye将Einstein的涨落理论应用到高分子溶 液，建立了理论，测定了橡胶的相对分子质量，并得到很
第十章小角激光散射
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1．气体激光器 气体激光器是采用气体作为工作物质，以电能作为 激励能源，通过气体放电使电子与原子（离子或分子） 互相碰撞而产生激光的。常用的气体有He、Ne、Ar、 Kr、Xe、CO2等。
反射镜 钼筒 玻璃管 毛细管 工作气体
激光
激光
-直流电源
图10-1第氦十章-氖小气角体激光激散光射器结构示意图
处于粒子数反转分布的工作物质称为增益介质。当光 通过增益介质时，光就被放大。这一放大作用可用下列公 式表示
I = I0exp(GL)
式中 I0为初始光强，I为光通过距离L的增益物质后的 光强，G为增益系数(经过单位长度工作物质后，光增强的 百分率)，L为工作物质长度。
第十章小角激光散射
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三 激光振荡、激光特性和激光器
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2．固体激光器 固体激光器多以脉冲氙灯作为激励能源。这种激励 方式称为光激发。常用的工作物质有红宝石、铷玻璃、 钇铝石榴石（掺铷）三种。工作物质由激活离子和基质 两部分组成。
E3
无辐射跃迁
光激发过程
E2 受激辐射跃迁
h
h 光照
h
E1
第十章图小1角0-激2 光固散体射激光产生原理
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3．半导体激光器 半导体激光器的体积小，效率高。常用的半导体激 光器有砷化镓（GaAs）,磷化铟(InP)，及某些三元合金 （例如GaAsxP1-x）等。激励方式有：电子束照射、光 激发以及向激光二极管的p-n结注入电流等。 半导体激光器多为脉冲式的，峰值功率可达几十瓦。 它可在0.32mm ~45mm范围内获得可调协的激光输出。