激光光谱-01-吸收与发射、线宽与线形详解

• 量子化假设， Planck定律
能量密度 8 2 h ( ) 3 n nph v h c exph kT 1 17
吸收，自发发射与受激发射 Einstein系数
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
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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
– 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。
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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 应
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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
激光光谱
左都罗 徐业斌 郭连波 zuoduluo@mail.hust.edu.cn； xu-ye-bin@163.com； lbguo@qq.com
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
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棱镜分色
Spectroscopy, wikipedia; D-Kuru/Wikimedia Commons
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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。
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太阳黑线 – Fraunhofer lines
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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
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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
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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
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腔模
• 电磁波的一般表示形式 E ReE0 exp(it k r )
• 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）
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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
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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。 • 激光，导致了高灵敏度和超高分辨光谱的诞生。
( )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
• 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
• 在空腔内，波矢应满足
k nx ,n ,n Lx y L y z Lz
k

c n y nz L L y z
2 2 2
c nx 2 Lx
• 确定的1组(nx, ny, nz)，8个行波，1组驻波：本征振 荡，模，模密度 1 4 2 Lx 2 L y 2 Lz
N ( ' ) 2 8 3 c 8 v 3 V 3 ห้องสมุดไป่ตู้ c 8 2 n( )d 3 d c c c
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黑体辐射，Planck定律
• 从辐射场考察
模式ν含有q个量子的几率： p(q) exp-qh kT z
• 热平衡时，每一个 模的能量为kT，则 1 z exp-qh kT 1 exp-h 黑体辐射的能量密 q 0 度为 模式的平均能量 2