激光光谱-01-吸收与发射、线宽与线形
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激光拉曼光谱-1详解
2021/4/1
28
Raman and Infrared Spectra of H-C≡C-H
Asymmetric C-H Stretch
Symmetric C-H Stretch C≡C Stretch
2021/4/1
29
2941，2927cm-1 ASCH2 2854cm-1 SCH2 1444，1267 cm-1 CH2
Stocks lines
anti-Stockes lines
2021/4/1
12
3.拉曼光谱的经典解释 拉曼光谱与分子极化率的关系
分子在静电场E中，极化感应偶极距p
p＝ αE α为极化率
诱导偶极矩与外电场的强度之比为分子极化率 分子中两原子距离最大时，α也最大 拉曼散射强度与极化率成正比例关系
32
Infrared and Raman Spectrum of CCl4
Infrared spectrum
776 cm-1
314 cm-1
Raman spectrum
463 cm-1 219 cm-1
2021/4/1
33
红外光谱：基团； 拉曼光谱：分子骨架测定；
2021/4/1
34
2.无机化学中的应用
延德尔散射 弹性散射
瑞利散射
I与λ无关 I正比于1/λ4
2021/4/1
8
2.基本理论
2021/4/1
λ
λ
拉 曼
增减散 大小射
变
λ
样
透过光λ不变
品
池
瑞 利
散
射
λ
不 变
9
最低激发 E1 电子能级 E0
激发虚态
光谱线宽
Z
.
8
而 氦 氖 激 光 器 0.6328 m 谱 线 的 宽 度 为
=1． 3× 109 HZ 因 此 ， 在 区 间 中 ， 可 以 存 在 的 纵 模 个 数 为
N
k
1 .3 10 9 1 .5 10 8
8
.
9
比如缩短腔长Ｌ到 0.1c 即Ｌ 则 q0.110 q1=1.5×109Hz
的波长差，亦即在给定d的标准具中，若入射光的波长在λ1到λ1+ Δλ的波长范围以内，则所产生的干涉圆环不重叠，我们称此Δλ
为标准具常数或称标准具的自由光谱范围。标准具的厚度d比谐振
腔的长度L小得多, 因此它的自由光谱区比谐振腔的纵模间隔大得
多。也可用频率表示之。因为
c
所以 c c 此为自由光谱区。
)它们各
生一组同心圆环状的干涉亮条纹(主最大)，对同一干涉级(k)，
λ2的干涉圆环的直径较λ1的小些，如图所示，
.
标准具简介
当满足: 2ndcosi′= k λ1 =(k-1) λ2的第(k-1)级亮圆环重迭,因而得
λ2时，λ1的2第k级1亮圆k2环与
由于在法布里—珀罗标准具中, 大多数情况下, cosi′≈1，
在 区间中，可能存在的纵模个数为 Ｎ=1。
10
.
3. 腔内插入法布里－珀罗标准具
多光束干涉，透射峰频率
q
q c
2ndcos
q 为正整数； n 为标准具两镜间介 质折射率； d 为标准具长度； 为标准具内光线与 法线的夹角
相邻透过率峰的频率间隔
.
q
c
2ndcos
H
透射谱线宽度
q
c 1R 2nd R
《激光光谱学》课件
激光光谱学在材料科学中用于材料表征、纳米技术 和光电子学等领域。
光电子学
激光光谱学在光电子学中广泛应用于激光器、太阳 能电池和光纤传感等技术。
总结与展望
激光光谱学是一门强大的科学工具，在各个领域中发挥着重要作用。随着技术的不断进步，我们对光谱学的理 解和应用将会不断深化。
通过激光光谱分析，我们可以准确检测物质的组成和浓度，应用于环境监测和化学分析等领 域。
信息传输
激光被广泛用于光纤通信，带来高速、稳定的数据传输。
激光光谱的原理与技术
1
激光共振拉曼光谱
2
ห้องสมุดไป่ตู้
激光共振拉曼光谱分析技术可以检测分
子的振动模式，用于反应动力学和材料
表征研究。
3
激光诱导荧光光谱
通过激光光谱技术，可以观察分子的发 光行为，用于药物研究和生物成像等应 用。
激光吸收光谱
激光吸收光谱通过测量物质吸收激光的 能量变化，用于化学反应研究和气体检 测等领域。
激光光谱在科学研究中的应用
分析化学
激光光谱学在分析化学中用于定量分析、物质鉴别 和纯度检验。
生物学与医学
激光光谱学在生物学和医学领域中有广泛应用，如 激光手术和细胞成像。
激光光谱在工业应用中的应用
材料科学
《激光光谱学》PPT课件
探索激光光谱学的奥秘，了解其基础概念，以及在科学研究和工业应用中的 重要性。
光谱学的定义
光谱学是研究光的性质和相互作用的科学领域。通过对光的分析，我们可以 深入了解不同物质的特性和结构。
激光的特性及应用
高度聚焦
激光光束具有高度聚焦的特性，可用于精确操作和微创治疗。
激发光谱分析
光电子学
激光光谱学在光电子学中广泛应用于激光器、太阳 能电池和光纤传感等技术。
总结与展望
激光光谱学是一门强大的科学工具，在各个领域中发挥着重要作用。随着技术的不断进步，我们对光谱学的理 解和应用将会不断深化。
通过激光光谱分析，我们可以准确检测物质的组成和浓度，应用于环境监测和化学分析等领 域。
信息传输
激光被广泛用于光纤通信，带来高速、稳定的数据传输。
激光光谱的原理与技术
1
激光共振拉曼光谱
2
ห้องสมุดไป่ตู้
激光共振拉曼光谱分析技术可以检测分
子的振动模式，用于反应动力学和材料
表征研究。
3
激光诱导荧光光谱
通过激光光谱技术，可以观察分子的发 光行为，用于药物研究和生物成像等应 用。
激光吸收光谱
激光吸收光谱通过测量物质吸收激光的 能量变化，用于化学反应研究和气体检 测等领域。
激光光谱在科学研究中的应用
分析化学
激光光谱学在分析化学中用于定量分析、物质鉴别 和纯度检验。
生物学与医学
激光光谱学在生物学和医学领域中有广泛应用，如 激光手术和细胞成像。
激光光谱在工业应用中的应用
材料科学
《激光光谱学》PPT课件
探索激光光谱学的奥秘，了解其基础概念，以及在科学研究和工业应用中的 重要性。
光谱学的定义
光谱学是研究光的性质和相互作用的科学领域。通过对光的分析，我们可以 深入了解不同物质的特性和结构。
激光的特性及应用
高度聚焦
激光光束具有高度聚焦的特性，可用于精确操作和微创治疗。
激发光谱分析
吸收谱和发射谱
吸收光谱和发射光谱都是线谱，区别在于前者显示黑色线条，而发射光谱显示光谱中的彩色线条。
原子的基本结构包括称为核的中心核和围绕核的电子云。
根据现代原子理论，这些电子被定位在称为壳或轨道的特定能级上，以此对能量进行量化。
已知最接近原子核的壳具有最低的能量。
当能量从外部提供给原子时，它使电子从一个轨道跳到另一个轨道(又称为能级跃迁)，这类运动可获得吸收和发射光谱。
1、什么是吸收光谱吸收光谱指的是通过使电磁辐射穿过物质而获得的光谱，特征是它在光谱上显示暗线。
当物质暴露于电磁辐射源时，如果光子的能量与两个能级之间的能量相同，则能量被较低能级的电子吸收，导致某特定电子的能量增加。
那么该电子的能量很高(意思是它就准备进行跳跃)，但是，如果光子的能量不等于两个能级之间的能量差，则光子将不会被吸收。
2、什么是发射光谱发射光谱指的是物质发射的电磁辐射形成的光谱。
当原子从激发态变为稳定态时，它会发出电磁辐射(等于释放能量)以进入较低的能量状态，能量以光子的形式释放。
光子的这种集合在一起使一个光谱称为发射光谱。
一、性质不同1、发射光谱：光源所发出的光谱。
2、吸收光谱：物质吸收光子，从低能级跃迁到高能级而产生的光谱。
二、形成原因不同1、吸收光谱：处于基态和低激发态的原子或分子以一定波长的连续分布吸收光，并传输到每个激发态，形成一个按波长排列的暗线或暗带光谱。
2、发射光谱：当原子或分子在高能量级转移到低能量级时，从其释放多余能量而形成的光谱。
为了使原子或分子处于更高的能量水平，它们需要被提供能量，这被称为激发。
被激发的处于较高能级的原子、分子向低能级跃迁放出频率为n的光子在原子光谱的研究中多采用发射光谱。
观察吸收光谱有几种方法：（1）使用连续光谱的光源，如白炽灯和连续光谱红外光源。
光通过样品，用分光光度计记录下来。
暗吸收光谱显示在连续的白色背景上。
（2）使上述光源发出的光通过光谱仪，成为准单色光。
通过调整分光计，可以连续扫描光的频率，并通过样品获得吸收光谱并进行记录。
激光谱线
q(v)dv=q0 f(v)dv=n2 A21hv0 f(v)dv
q(v)=n2hv0A21(v) 在单位时间内,对应于频率v～v+dv间隔,自发辐射的原子跃 迁数密度公式为
dn2 (v) A21n2 f (v)dv A21(v)n2dv （1-47）
dn2 (v) A21n2 f (v)dv A21(v)n2dv
可见：考虑谱线增宽后，对
(
dn2 dt
)
sp
没有影响，但对(
dn2 dt
)
st
和
( dn2 dt
) st
的积分却与辐射场ρv的带宽△v有关。
而该积分在一般情况下是比较复杂的，对于激光器，我们考
虑两种极限情况。
四. 讨论两种极限情况
1.原子与准单色光辐射场相互作用
辐射场 v'的带宽△v’＜＜ △v
对于激光器来说,由于
辐射场基本上是准单色的,
ρv v '
其谱线宽度远比发光粒子
本身的自然宽度小得多,属
于这种情况.
∵△v’＜＜ △v, ∴在△v’范围内
原子与准单色光辐射场相互作用
f (v) = f (v0) 可近似看成恒量
ρv= ρδ(v－v0)
ρ——频率为v 的准单色辐射场的总能量密度
根据δ函数的性质有
1.4 光谱线增宽
1.4.1 光谱线、线型和谱线宽度
一. 谱线线型和宽度 1.此前总假设能级无限窄,即 自发发射功率(光强)全部集
中在单 一频率 v 0=(E2－E1)／h上。
I0
2.实际上,能级总有一定宽度△E,而不是一条简单的线.
τ1
v2
v0 v1
△E2
激光光谱教学大纲
激光光谱教学大纲一、课程名称：激光光谱 Laser Spectroscopy二、课程编码：三、学时与学分：40 学时/2.5学分四、先修课程：量子力学，光学，光电探测与信号处理五、课程教学目标光谱学是关于光吸收、发射过程的频域信息的一门学问，在原子分子物理、化学、光电子学、材料、等离子体物理以及天体物理等方面均有重要的应用。
激光的诞生，使光谱探测范围、灵敏度、分辨率等因素发生根本性的变化，极大地扩展了光谱分析的能力，形成了一门新兴的学科–激光光谱。
激光光谱课程的教学目标，是在掌握光谱学基本概念和原理、光谱分析测试基本技术手段的基础上，进一步学习激光光谱的原理和技术，掌握利用激光光谱技术研究物质结构、状态及其变化发展过程的技能。
通过本课程的学习，可望进一步巩固在光学理论及技术应用方面的基础，加强对光辐射的理解，提升光辐射探测和处理的能力。
课程具体包括光吸收与发射、光谱学基础、激光光谱中的激光器、激光吸收光谱、激光荧光光谱和激光等离子体发射光谱、无多普勒展宽光谱、激光拉曼光谱以及光电离光谱技术等多方面的内容。
六、适用学科专业：光信息科学与技术光电信息工程七、基本教学内容与学时安排第一章绪论光谱学与激光光谱技术的历史与发展状况（1学时）第二章光的吸收与发射（1学时）2.1 吸收、自发辐射与受激发射,偏振与相干性；2.2 半经典描述；2.3 线宽与线形。
第三章光谱学基础（6学时）3.1 分子对称性，群论初步；3.2 气体分子光谱：转动光谱、振动光谱、电子光谱。
第四章光谱仪与弱信号监测仪（4学时）4.1 光谱仪：光栅光谱仪、干涉仪；4.2 弱信号探测方法。
第五章光谱技术中的激光光源（4学时）5.1 光谱学中常用的激光光源；5.2 光源的非线性扩展；5.3 激光波长、线宽的测量。
第六章激光吸收光谱技术（6学时）6.1 基本吸收光谱技术；6.2 高灵敏度吸收光谱技术；6.3 耦合双共振与快速吸收光谱技术；6.4 外场扫描吸收光谱技术；6.5 光声与光热光谱技术。
激光光谱学的基础和技术PPT模板
10 第七章可调谐相干光源
第七章可调谐相干光源
7.1基础和概述
7.4可见和紫外光谱范围中的调谐方 法
12 43
7.2可调谐红外光源
7.2.1半导体激光器 7.2.2自旋反转喇曼激光器 7.2.3差频分光计 7.2.4光参量振荡器 7.2.5高压气体激光器
7.3染料激光器
11
第八章激光吸收光谱技术
附录一部分物理常 数
17 附录二本书所用单位缩写
附录二本书所用单 位缩写
18 参考文献
参考文献
感谢聆听
02 03
04
2.3吸 收．受激 发射和自 发发 射．爱因 斯坦系数
2.4辐射测量的基本 概念
第二章光的发射和 吸收
2.7吸收和色ห้องสมุดไป่ตู้ 2.8跃迁几率的测量和计算 2.9相干性
第二章光的 发射和吸收
2.7吸收和色散
2.7.1折射率 的经典模型
2.7.3爱因斯 坦系数和振 子强度
2.7.2振子 强度
9.1激光光学抽运
1
9.3受激能态的光谱技术
9.3.1分级激发
9.3.2双共振方法
3
9.3.3激光能级交叉光 谱技术
2
9.2激光感生的荧光
4
9.4碰撞过程的光谱技术
13
第十章高分辨无多普勒激 光光谱技术
第十章高分辨无多 普勒激光光谱技术
10.1准直分子束中的光谱技术
10.2饱和光谱技术 10.2.1非均匀谱线展宽时的饱和
激光光谱学的基础和技术
演讲人
2 0 2 X - 11 - 11
01 目录
目录
02 译者的话
译者的话
03 序言
序言
激光原理：3-1谱线加宽与线型函数
3.1谱线加宽与线型函数
二、线型函数
1、定义：
g(ν)
I(ν)
0 I(ν)d ν
第3章 辐射场与物质的相互作用
单位： s
2、性质：
0 g(ν)d ν 1
3、本质：反映发光粒子或光源光谱线形状。
3.1谱线加宽与线型函数
第3章 辐射场与物质的相互作用
三、自然加宽线型函数——洛仑兹型
自然加宽: 发光粒子在自发辐射过程中由于辐射电 磁波不断衰减而导致的谱线加宽。
第3章 辐射场与物质的相互作用
（1）均匀加宽：
每一个发光粒子（原子、离子、分子）发的 光对谱线内的任一频率都有贡献。
自然加宽、碰撞加宽、晶格振动加宽
（2）非均匀加宽： 每一个发光粒子所发的光只对谱线内的某些
确定的频率才有贡献。在非均匀加宽中，各种不 同的粒子对不同频率有贡献。
多普勒加宽 (Doppler Broadening)
由原子在激发态的有限寿命引起。
线型函数:
DνN 2
gN (ν)
D νN 2
2
2 (ν ν0 )2
gm
2 gm D νN
D νN
1 2 2
DnN:自然线宽 2:激光上能级寿命
3.1谱线加宽与线型函数
第3章 辐射场与物质的相互作用
复习原子发射电磁波的过程：
研究原子 发射电磁 波时，通 常用谐振 子持续振 动辐射电 磁波这样 的理论模 型。
I0
1
4 2 (ν ν0 )2 I02
gm
42
2 D νN
3.1谱线加宽与线型函数
第3章 辐射场与物质的相互作用
例1：He-Ne激光器和CO2激光器上能级寿命分别为10-8s 和10-4s，求(1)两激光器发光粒子所发光的自然线宽。
激光光谱-01-吸收与发射、线宽与线形
n v r
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
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。
4光谱线及谱线展宽-1
黑体(朗佰体)的亮度 Le= Me/ 辐射亮度 Le= Me/=3.77106/ =1.2106（W.m-2.sr-1） S
Me=3.77106(W.m-2)
因为 Me=de/dA e=Me.A=3.77106810-6=30.16(W)
=2
而 Ie= de/dΩ=e/2=30.16/2=4.8 (W.sr-1)
A21 1 自然加宽 g(v ) 线型函数 4 2 (v v0 )2 ( / 4 )2 g(v) 主要结论：
（1）g(v)相对于v0是对称的 （2）v= v0 时 g(v)为极大
g(v0)
g(v0 ) gm 4 / A21
g(v0)/2
v
（3）谱线宽度（半宽度） 由 g(v1 ) g(v2 ) gm / 2 2 / A21
v
v1 v0 v2
v
v1 v0 4
gm 4 / A21 2 / v N
说明：越小，N越小，谱线的单色性越好
g(v )
A21
2 2
1
2
4 (v v0 ) ( / 4 )
v N A21 / 2 / 2
（4）g(v)的谱线宽度表示式
4 (v v ) ( )2 0 4 比较两式，令
2 2
I (v )
2 E0
1
g(v ) I (v ) / I 0
2
g(v ) A /[( v v0 ) ( / 4 ) ]
式中A为待定常数。 利用g(v)的归一化条件
2
g(v )dv 1
(v v
g(v0)
g(v0)/2
v
v1 v0 v2
v
图1线型函数
Me=3.77106(W.m-2)
因为 Me=de/dA e=Me.A=3.77106810-6=30.16(W)
=2
而 Ie= de/dΩ=e/2=30.16/2=4.8 (W.sr-1)
A21 1 自然加宽 g(v ) 线型函数 4 2 (v v0 )2 ( / 4 )2 g(v) 主要结论：
（1）g(v)相对于v0是对称的 （2）v= v0 时 g(v)为极大
g(v0)
g(v0 ) gm 4 / A21
g(v0)/2
v
（3）谱线宽度（半宽度） 由 g(v1 ) g(v2 ) gm / 2 2 / A21
v
v1 v0 v2
v
v1 v0 4
gm 4 / A21 2 / v N
说明：越小，N越小，谱线的单色性越好
g(v )
A21
2 2
1
2
4 (v v0 ) ( / 4 )
v N A21 / 2 / 2
（4）g(v)的谱线宽度表示式
4 (v v ) ( )2 0 4 比较两式，令
2 2
I (v )
2 E0
1
g(v ) I (v ) / I 0
2
g(v ) A /[( v v0 ) ( / 4 ) ]
式中A为待定常数。 利用g(v)的归一化条件
2
g(v )dv 1
(v v
g(v0)
g(v0)/2
v
v1 v0 v2
v
图1线型函数
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
9
太阳黑线 – Fraunhofer lines
10
光谱分析实验
• Kirchhoff and Bunsen, 1860
光谱的线宽和线形
得到L(-0)和G(-0)
第3.3节 碰撞加宽
绝热近似、B-O近似 原子核重排(碰撞、化 学反应)过程中，电子 的电荷分布/跃迁(fs) 可实时快速地调整(垂 直跃迁)
ik Ei(R)Ek(R)
=V[A(Ei,B)]V[A(Ek,B)]
R(A,B) 碰撞伙伴(对)A-B质心间距 碰撞频移，可正可负(取决于势能曲线/面) 2Rc 碰撞直径 c=Rc/v = 2ps (1nm/500ms-1) 碰撞时间(弹性)
Z [amu]
1 23 85 85 7 7 133 44 87
[nm] 121.6 589.1 780.0 780.0 670.8 670.8 852.1 10m 6.8 GHz
T [K] 1000 500 300 144K 600 140K 300 300 300
D [GHz] 55.8
1.7 0.52 0.36 MHz 3.0 1.4 MHz 0.38 0.056 9.0 KHz
Ba Ba
[nm] 671 589 780 852 554 791
s [ns] 27.2 16.3 26.5 31 9.1 1.37us
n=1/(2s ) [MHz] 5.85 9.76 6.01 5.13 17.49 0.12
一、吸收线性
Oscillator with driven force qE 宏观极化子：
一、Doppler效应 (一级)
第3.2节 Doppler线宽
原子发射 观察者 不动 辐射源 动
相向运动时观察者感觉 辐射场频率升高，反向 时感觉频率降低
原子吸收 观察者 动 辐射源 不动
(原子感受到的光频率) (共振条件 0 = ’ )
原子实际吸收的光频 a L
第3.3节 碰撞加宽
绝热近似、B-O近似 原子核重排(碰撞、化 学反应)过程中，电子 的电荷分布/跃迁(fs) 可实时快速地调整(垂 直跃迁)
ik Ei(R)Ek(R)
=V[A(Ei,B)]V[A(Ek,B)]
R(A,B) 碰撞伙伴(对)A-B质心间距 碰撞频移，可正可负(取决于势能曲线/面) 2Rc 碰撞直径 c=Rc/v = 2ps (1nm/500ms-1) 碰撞时间(弹性)
Z [amu]
1 23 85 85 7 7 133 44 87
[nm] 121.6 589.1 780.0 780.0 670.8 670.8 852.1 10m 6.8 GHz
T [K] 1000 500 300 144K 600 140K 300 300 300
D [GHz] 55.8
1.7 0.52 0.36 MHz 3.0 1.4 MHz 0.38 0.056 9.0 KHz
Ba Ba
[nm] 671 589 780 852 554 791
s [ns] 27.2 16.3 26.5 31 9.1 1.37us
n=1/(2s ) [MHz] 5.85 9.76 6.01 5.13 17.49 0.12
一、吸收线性
Oscillator with driven force qE 宏观极化子：
一、Doppler效应 (一级)
第3.2节 Doppler线宽
原子发射 观察者 不动 辐射源 动
相向运动时观察者感觉 辐射场频率升高，反向 时感觉频率降低
原子吸收 观察者 动 辐射源 不动
(原子感受到的光频率) (共振条件 0 = ’ )
原子实际吸收的光频 a L
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
35
第35页/共85页
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 ( )
38
第38页/共85页
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。
第三章 光谱的线宽和线形
Fourier Transfer x0 1 1 1 it A( ) x ( t ) e dt [ ] 2 8 i ( 0 ) / 2 i( 0 ) / 2
x0 e ( / 2)t cos 0t
（ I -0 ） = cA( ) A* ( ) I 0 L( -0 )
Kramers-Kronig relation
一、Doppler效应 (一级)
原子发射 观察者 不动 辐射源 动 相向运动时观察者感觉 辐射场频率升高，反向 时感觉频率降低
第3.2节 Doppler线宽
e (or a )
0 k z
0 k 0 (1 z / c )
温度
关于 V(R)
Lennard-Jones (12-6) 势： 诱导偶极矩-诱导偶极矩之间相互作用 a b V ( R) 12 6 R R
Coulomb势： 两带电粒子之间相互作用 c V ( R) R
碰撞频移来自碰撞对的动能转换 正频移 负频移
0 0
动能减少
[nm] Li D2 Na D2 Rb D2 Cs D2 Ba Ba 671 589 780 852 554 791
s [ns] 27.2 16.3 26.5 31 9.1 1.37us
n=1/(2s ) [MHz] 5.85 9.76 6.01 5.13 17.49 0.12
一、吸收线性
n 2n
Energy uncertainty
i / Ei
If considering the ground state:
Spontaneous emission Natural linewidth Energy uncertainty (lifetime)
激光谱线
3.自然增宽的线形函数 ((Lorentz型)(下标N表示“自然”)
fN
(v)
4 （2 v0
A v）2
(
1
2
)
2
其中: A ——比例常数
(1-65a)
fN( v )——自然增宽的线型函数
由归一化条件 0 f N (v)dv 1 有
1
故:
fN
(v)
4 （2 v0
v）2
(
1
v v2 v1
称为光谱线半值宽度(谱线宽 度/ 线宽)。它是衡量单色性的
一个参数。
3.谱线下面积的意义:
dS f (v)dv
频率在v v+ dv范围的光强占总 光强的百分比
4.线型函数f(v)的归一化条件
f (v)dv 1
相对光强总和为1
三.跃迁几率按频率的分布:
受激跃迁几率的修正
➢描述光谱线加宽特性的物理量：线型函数和线宽
二. 谱线的线型函数
f (v)——描述单色辐射功率随频率变化的规律。 (给定了光谱线的轮廓或形状)
1定义:
f ( ) I ( ) I ( )
I0 I ( )d
可见:线型函数 f (v)表示某一谱线在单位频率间隔的相对光强 分布，它可由实验测得。
1
2
]t
0
U0
i2 (v
v0 )
1
2
因为频率为v～v+dv范围内的辐射强度I(v) dv应正比于 u(v) 2 dv ,
所以
I (v) u(v) 2
U
2 0
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exp-qh
1 z2 exp h
z
k T h
h
exph k
T
1
kT
• 量子化假设，
能量密度
Planck定律
(
)
8
c3
2
h
exph kT1
n
nph
v h
17
吸收，自发发射与受激发射
Einstein系数
N1B12 ( ) N2 B21 ( ) A21
• 从辐射源考察。 • 吸收速率
Ni
N
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
gi Z
e Ei
kT
d dt
P12
B12( )
• 受激发射速率
d dt
P21
B2 1 (
)
g1eE1 kT B12 ( ) g2eE2 kT B21 ( ) A21
( ) A21 B21
g1B12 eh kT 1 g2 B21
• 自发发射速率
Compared with Planck's law,
• 从辐射场考察
模式ν含有q个量子的几率：
•
热平衡时，每一个
p(q) exp-qh
z
kT
模的能量为kT，则 黑体辐射的能量密k
T
1
1
exp-h
kT
度为
模式的平均能量
( )d 8 2kT d
c3
– Rayleigh-Jeans定 律，高频发散。
qh
q0
p(q)
1 z
1
k
T
q0
12
现代光谱学 – 激光光谱
• T.H. Maiman, 1960. 第一台激光器，红宝石激光器，694 nm。现代光谱学时代。
• 初期，激光器不可调谐，最早的研究，激光介质本身，以及 碰巧重合的谱线，或者Stark分裂、Zeeman分裂调谐的谱线。 可调谐激光器（如染料激光器）极大地扩展了测量的范围。
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
3. 线宽与线形
– 自然展宽、Doppler展宽、碰撞展宽、饱和展宽 – 均匀展宽与非均匀展宽
5
1. 课程简介 – 基本概念
• 光谱 (spectrum, spectra)：光辐射的频谱分布；关 于光辐射频谱分布的科学，如原子分子光谱，红外 光谱
• 光谱学、光谱技术(spectroscopy)：与频谱相关的 光与物质相互作用的学问；获得光辐射频谱分布的 方法
•
平ddt衡P2体1spo系nt ：A吸21收与发射平衡，辐
射源(原子或分子)热平衡
A21 B21
B12
8h 3
c3
g2 g1
B21
n( )h
;
B21
nph A21
dv n d nph h
自发发射速率与模式中包含一个光子的受激发射几率相当； 自发发射速率与频率的3次方成正比。
应
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 )
• 在空腔内，波矢应满足
激光光谱
左都罗 徐业斌 郭连波 zuoduluo@；
xu-ye-bin@； lbguo@
基本要求
• 成绩构成
– 20%平时成绩（作业、签到） – 80%考试成绩
• 基本要求
– 进入课堂，希望能保持对课程内容的兴趣 – 批判性思维。客观规律；科技文献的表述是尽量
接近，但很难完全一致；教师的讲授亦可能存在 各种欠缺 – 有疑问，随时提出
2
第1讲 课程简介 吸收与发射 线宽与线形
- W. Demtroder, Laser Spectroscopy, Ch2, Ch3
概要
1. 课程简介
2. 光的吸收与发射
– 热辐射、Planck定律、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
k
n
x
Lx
,ny
Ly
, nz
Lz
k
c
c
2
nx Lx
2
ny Ly
2
nz Lz
2
• 确定的1组(nx, ny, nz)，8个行波，1组驻波：本征振
荡，模，模密度
N ( ' )
2 1 8
4
3
2Lx
c
2Ly
c
2Lz
c
8 v3 V
3 c3
n( )d
8
c3
2
d
16
黑体辐射，Planck定律
• 经典光谱学：自牛顿开始，至量子力学诞生前
• 现代光谱学：基于量子力学基础的光谱理论，采用 激光的探测方法（激光光谱学）
6
经典光谱学 – 牛顿棱镜分色
E.V. Shpol’skii, a century of spectrum analysis, Soviet Physics Uspekhi, 2(6), pp.958-973, 1960
精确化
9
太阳黑线 – Fraunhofer lines
10
光谱分析实验
• Kirchhoff and Bunsen, 1860
– 碱金属：锂、纳、钾 – 碱土金属：钙、锶、钡 – 两种新碱金属元素（铷Rb和铯Cs）发现：光谱分析对地球分析化学
的重要性
11
现代光谱：量子力学与激光技术
• 氢原子光谱：Balmer, 1881; Rydberg, 1890. • 原子轨道理论：Bohr 1913. • 原子与分子光谱 • 激光，激光光谱 • 激光光谱应用
• 激光，导致了高灵敏度和超高分辨光谱的诞生。
– 饱和吸收光谱，原子、分子光谱的亚多普勒分辨率； – 无多普勒双光子共振； – 原子束，消多普勒
• 短脉冲激光，时域光谱。
• 强激光，非线性光学：相干Raman散射等。
13
激光光谱应用：化学
• 分析化学：检测灵敏度10-9 – 10-12 • 单分子探测 • 同位素分离：选择激发、多光子电离 • 激光化学：激光诱导化学反应，控制化学反