第四章光谱仪器

**Photodiode探测光强，原子频率的吸收，研究原子的能级结构
Rb原子结构
85Rb F’
4
87Rb F’
3
121
P3/2
63 29
3 2 1
1
267
80
157 72
2 1 0
D2780nm
F
3
3036
S1/2
2
吸收谱
F 2
160
6835
1 1
第四章光谱仪器 饱和吸收谱实验装置
一，光谱仪的一些注意事项
第四章光谱仪器
Littrow 与 Littman 结构
Sacherlaser
Littrow 结构示意图
第四章光谱仪器
光栅狭缝数
R(,) 反射率 干涉极大： = 2m
光谱分辨率：
第四章光谱仪器
第4.2节 干涉仪
基本原理: 多光束干涉（相干长度内）
自由光谱程
第四章光谱仪器
一、Michelson干涉仪（2束） 平行光
m
光栅谱仪： 依赖于衍射级m, 且随m增大而减小
的m极大

干涉仪：自由光谱程为相邻干涉极大
自由光谱程（波长/频率表示）
入射角
腔长
精细度（自由光谱程中能 测量的谱线数量）
折射率
精细度系数
第四章光谱仪器 线宽/分辨率
光栅摄谱仪
狭缝间距
光栅方程
光程差
闪耀角：光栅法线 与刻槽法线的夹角。
闪耀角：
第四章光谱仪器
将入射狭缝S1成像为S2()的 光学仪器
1，摄谱仪(spectrograph): (CCD) 成像
一次拍摄谱面上的分布S2() x
2，单色仪(Monochromator):
(PhD) 光电信号
谱面上安装出射狭缝S2，获 得单色输出
第四章光谱仪器
CCD:
频率分辨， X X 1 X 2 1 2
R
其中 =1-2是可分辨的最小谱线 波长间隔
Rayleigh光谱分辨判据：当一个波 长的衍射极大与另一波长的衍射 极小重合时，刚好分辨；更近则 不可分辨
第四章光谱仪器
自由光谱区（范围）
谱仪的自由光谱区（FSR）： 谱仪的像面上强度分布 I()与波长之间存在单值关
系的波长间隔。
棱镜谱仪：覆盖棱镜材料正常色散的整个波长范围 光栅谱仪： 依赖于衍射级m, 且随m增大而减小 干涉仪： m很大(104108), 因而很小
光谱仪测量的物理量：
• 波长 • 强度（功率） • 线型
光谱仪主要指标：
• 灵敏度 • 分辨率（时间，空间） • 信噪比
第四章光谱仪器
第4.1节 摄谱仪与单色仪
谱色散 dn/d：棱镜、光栅
线性色散dx/d : 取决于dn/d 和 f2。
色散越大、焦距越长、狭缝越小，则分 辨率越高
光谱仪（Spectrometer）
第四章光谱仪器
二，棱镜摄谱仪
分辨率
Cauchy’s Formula n1A1(1B21)
介质折射率与色散
超重火石玻璃
重火石玻璃
冕玻璃 石英玻璃
萤石
优点：自由光谱程大 缺点：分辨率小
第四章光谱仪器
几种材料的光谱性质
第四章光谱仪器
三，光栅摄谱仪
光栅谱仪：自由光谱程为 的（m+1）极大和 +
重合
最大立体角匹配（最优化收集光）
光源 直接探测 利用毛玻璃
=(g2/g1)2
a2 d2
测量波长
激光束直接照射在狭缝上时， 1、光栅/棱镜不能被均匀照射，
从而减小分辨率； 2、光路对称性不保证，带来波长
测量系统误差； 3、激光的良好相干性导致附加的
衍射峰
第四章光谱仪器
利用毛玻璃，产生非相关光，再测量
第四章 光谱仪器
自由讨论：
1 2，你知道有哪些光的探测工具，简单工作原理是什么？ 3，有哪些种类干涉仪，简单工作原理是什么？ 4，你的实验室分别有哪些光探测仪器，分别探测什么物理量？ 5，简单谈谈误差的分析？
第四章光谱仪器
讲课内容 • 摄谱仪与单色仪 • 干涉仪 • 波长计 • 光的灵敏探测
第四章光谱仪器
二、Mach-Zehnder干涉仪（2束）
Temperature fast linear response vs f easy to control
Internal modes: diode + diode facet External modes: diode + grating Overall mode selection: tuning range for diode laser (~20GHz)
Interference
SM2SB SM2SB
第四章光谱仪器
点光源
1，不同角度光程差不同点光源经过Michelson干涉仪形成环形干涉条纹 2，移动M1或者M1，干涉条纹直径变化
第四章光谱仪器
M3和M4形成的腔体经过多次反射增加光程差，提高衍射量级从而提高 谱分辨率引力波的测量
1011
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空间辨： XX 1X 2 S 2(将物上不同部 分成像于像平面)，1 pixel=1~10 um 曝光时间：1 us 瞬时物理过程
1 h 提高信噪比 响应波长：200-1000 nm
CCD: 高空间和频率分辨，时间响应慢 Photodiode:时间分辨率高，空间和频
率分辨率小
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**CCD对冷原子成像，原子的空间密度分别，分析原子的统计特性（经 典量子）
Littrow结构：
= = -
（光线原路反射）
调节入射角调节波长
半导体激光器
Littrow 光路图
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Diode laser in Toptica
Voltage/current control
1,Current/temperature control 2,Small size
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光谱透过率
棱镜摄谱仪可用范围取决于材料的光谱透过特性（减少吸收）
不同材料光谱范围
不同材料投射率
<180nm（棱镜摄谱仪）：真空，LiF/CaF 镜面和光栅可以渡高反射模光栅优于棱镜 全息生产光栅光栅光谱仪应用第于四真章空光谱紫仪外器 到远红外
光谱分辨率
任何一个色散仪器的光谱分辨本领定 义为：
(0.81)
第四章光谱仪器
Gaussian分别：热原子
n G (r)(2)3 /2 N x y ze x p ( (2 x2 x22 y2 y22 z2 z2))
N0 1 ( T )3
N
Tc
Thomas-Fermi分布：量子凝聚体
n T F (r) 8x m 1 a x 5 y N m a x z m a xm a x (1 x m x 第a 2 x 2 四 章光y m y 谱a 2 x 仪2 器 z m z a 2 x 2,0 )