ChAPTER 1_1 激光光谱入门 初学者必看

激光光谱学

课程内容和目的

怎样以激光为手段、光谱学为工具研究材料性质的方法和原理。课程将以一些典型的研究工作为例理论------实验，学习------研究工作

光谱学: 研究物质和电磁波相互作用。

利用激光技术进行的光谱学研究称为激光光谱学。

课程内容

第一章光的性质及描述；光谱学研究什么？怎样测量？与普通光谱学比较，激光光谱学有什么特点。

第二章从光的统计性质理解谱线的线形和宽度。

第三章用激光选择激发研究发光中心的结构和相互作用, 激光的单色性在光谱学中的应用(1) 。

第四章混沌光的起伏及光的相干性，相关函数，相干度，一级相干光，二级相干光。

第五章相干光与原子系统的相互作用可以用光学Bloch 方程描述，速率方程只描述原子系统的能量, 光学

Bloch方程还描述极化强度的行为。激光的相干性在

光谱学中的应用(1)。

第六章激光的单色性使光谱测量能够超越非均匀线宽, 激光的单色性在光谱学中的应用(2)。

在这一章中我们将对单个分子荧光探测作简要介绍。

第七章非线性光学效应为光谱学提供了新的相干光源和实验方法。激光的高能量密度在光谱学中的应用(1)。第八章两束光相干引起强度在空间或频率域上的周期分布，与非线性介质作用形成空间栅或频率栅。这个光栅的衍射性质反映了介质的性质。对相干性的认识使时间过程的测量能够突破光源脉冲持续时间的限制。

激光的相干性和高能量密度在光谱学中的应用(2)。第九章由于激光的相干性，用锁模可以产生激光超短脉冲，用以研究超快速过程。

•氢原子能级结构的确定、氦元素的发现等都是利用光谱学的方法完成的。

•宇宙大爆炸理论所依赖的光谱红移。

•对物质结构的表征和研究也都依赖于光谱学。•因此，光谱学是从微观角度研究物质世界的一种重要手段。

•下面给出有关“光”的一些概念

光波

Frequency Modulation ；Amplitude Modulation

•“光”－－所有光谱范围内电磁波的简称

•“分子”－－光吸收和发射的中心，包括原子、离子等•对任意辐射场的经典描述：

•A i ：频率为ωi 的平面波的振幅，K i ：波矢量，r 空间上的任意方向。

•光场的模：描述光场传播方向和光的频率特性的概念，非相干光源发射的光场具有无穷多的模；锁模激光器可进行有限模输出。光场的本征模可表示为：•为波矢，为频率。

c c e i i t i i .)(+∑=⋅+r K i A E ω),(0

i i i

v u E i u i v complex conjugation

本课程的主要内容

光的发射与吸收

光的探测与光的性质表征光谱线的宽度和线型

激光原理

光谱的种类及应用

激光光谱学的特点

光谱的时间特性

光谱的频率特性

相干光谱学

多光子光谱学

激光光谱学能够解决的问题

第一章光谱学的基本知识光的发射与吸收

•上面的讨论表明，测量跃迁能量可以得到能级之间的能量差，即－形式的矩阵元的信息；测量跃迁的速率，可以获得有关形式的矩阵元的信息。能量状态和跃迁过程的测量是光谱学中的两类基本测量，这些测量建立了宏观与微观之间的联系.

光的探测与光的性质表征

•三种方法可以探测到光：

•1. 光物理光电、光热、光声、光磁等效应2. 光化学光致色变，光化学反应

•3. 光生物光合作用，动物的视神经…..•利用光电效应探测光是最常用的方法，也具有比较高的灵敏度和可靠性。

电子发射，即光电效应。

检流计

•4. 电荷耦合器件（CCD－Charge-

Coupled Device）可以做成较大的尺寸（一维和二维），具有较高的灵敏度和较快的响应时间。应用非常广泛。

•5.半导体辐射热电偶热探测器，仅与接收的辐射能量（功率）有关，无波长选择性，用于辐射功率的测量。

原理：利用半导体热电材料制成的器件，受辐射的一端温度升高，由两端的温差产生电位差。

•6. 黑体接收器（热电堆）多个热电偶串联，光谱响应中性是其特点。

•7. 光敏电阻（光导管）随着光照强度不同阻值发生变化的器件。

•选频器件

•1、光学棱镜可制作低分辨率的单色仪。特点是光的损耗比较小，成本较低，如使用NaCl三角棱镜。

•2、光栅可制作高分辨率的单色仪，光损耗比较大。

•3、滤光片利用材料本身的光谱透过特性对透过光的频谱进行选择，如截止滤光片。

•4、干涉滤光片（带通）镀有多层介质膜，利用干涉的原理使得某特定的波长通过。一般带宽为10纳米左右。

•5、二相色片对某些波长具有高的透过率，而对另一些波长具有高的反射率。如，腔内倍频激光器的输出镜。

•6、Fabry-Perot标准具两块精密的平面玻璃板（分束板），镀有反射层的面相互平行。非单色光入射时，由于干涉，在很宽的频谱范围内只有某些特定的波长通过。

•表征光的频率特征的另外一个常用量为波数（wavenumber)，定义为波长的倒数：

c

ν

λσ＝＝1如，我们常说波数为20000cm -1的光，指的就是波长为

500nm 的光。光的能量与波长的大小成反比，与波数的大小成正比。从光的频率分布特性上，我们可以将其划分为连续谱、带谱和线谱。有太阳、白炽灯等光源发射的光通常认为是连续谱。

•3、光的方向性

•光是横向传播（propagation）的电磁波，transverse wave，具有一定的方向性。在一定的条件下，光束直线传播。光在非真空中传播时，遇到介质会发生反射、折射、衍射等传播形式。光束经过巨质量物体时会发生弯曲甚至会被捕获。•Reflection、Refraction、Diffraction、Lognitudinal wave