吉林大学-光电子学与光电器件1-7

§1－7 均匀加宽和非均匀加宽根据对谱线加宽成因的分析，谱线加宽分为两种类型：

均匀加宽

非均匀加宽

一、均匀加宽：

每一个发光粒子所发的光对谱线内的任一频率

都有贡献。大量的发光粒子中的每一个粒子所

处的地位是相同的，每个发光原子都以整个线

型发射，不能把某一特定频率和某些特定的粒

子联系起来。

自然加宽：激发态的自发辐射寿命；

碰撞加宽：原子(分子)的碰撞。

无辐射跃迁和晶格振动：固体工作物质。

自然加宽

原因：原子在激发态上的有限寿命。在不受外界影响时，受激原子并非永远处于激发态，它们会自发地向低能态跃近。

碰撞加宽

无规则运动状态的分子由于相互之间的碰撞引起的谱线加宽。

什么是碰撞？

两个粒子足够接近，并且他们之间的相互作用足以改变原来的状态。

气体分子：气体分子在运动过程中由于受到

其他分子的作用而使得能量状态发生了变化，

相当于能级寿命缩短，因此发射出来的光的单

色性变差。

晶体：虽然原子处于晶格位置上，可以认为基本不动，但由于受到其他原子的偶极矩的作用，也可能无规地改变自己的运动状态，从而使能量状态发生变化。

谱线形状：洛伦兹型

碰撞加宽的起因：

1、激发态原子在与同类基态粒子碰撞时，将自己的一部分内能转移给基态粒子，本身则回到基态——横向弛豫；

2、激发态原子与其它类型的粒子或器壁作用而交出部分能量，自己回到基态。

常数，与气压无关，随不同工作气体和不同跃迁波长而异。

固体工作物质的谱线加宽情况：

热弛豫，导致激发态能级寿命缩短；

晶格的热振动，导致能级变宽。

对所有粒子的影响是相同的，属于均匀加宽。

均匀加宽的特点

1、自然加宽与碰撞加宽可以直接加和：

2、对一般气体工作物质△v L＞＞△v N, 故均匀增宽主要取决于碰撞加宽; 只在气压极低时才显示出自然加宽(此时碰撞极为微弱)。

3、自然加宽是谱线宽度所能达到的最低值！

各种工作物质总的均匀加宽

1、气体工作物质

以碰撞加宽为主，在很低的气压

下，自然加宽才表现出来。

2、固体工作物质

自然加宽、碰撞加宽(原子—晶格热弛豫过程，对固体这种作用很小)、晶格振动加宽。以晶格振动加宽为主。

二、非均匀加宽

每一个发光粒子所发的光只对谱线内某些确定的频率才有贡献，各种不同的粒子对线型函数中的不同频率各有贡献，因此各种发光粒子的作用是不相同的。

运动原子（发光中心频率ν

）－－－接收器

频率为ν的单色光－－－假想光源

原子感受的光波频率与原子的

中心频率相等时有最大相互作用

运动原子与光相互作用时表现出的中心频率

尽管发光粒子体系中各粒子的固有中心频率是一样的,但由于原子运动速度各不相同，不同速度的原子所发出的光被接收时的频率也各不相同，即表观中心频率不同了，所以，各粒子光谱线叠加而成的整个光源光谱线便加宽了。－－－非均匀加宽

线型函数峰值

线宽

线型函数

综合加宽(均匀加宽& 非均匀加宽并存)

1、气体工作物质

①主要的加宽类型是由碰撞引起的均匀加

宽和多普勒效应引起的非均匀加宽。

②气压较高时，主要的加宽类型是由碰撞

引起的均匀加宽。气压较低时，主要的加

宽类型是由多普勒效应引起的非均匀加宽。

2、固体工作物质

主要是晶格热振动引起的均匀加宽和

晶格缺陷引起的非均匀加宽。机构较

复杂，难从理论上求得线型函数的具

体形式。一般需要通过实验求得它的

谱线宽度。

晶格缺陷(如位错、空位等晶体不均匀性)将使晶格缺陷部位的晶格场与无缺陷部位的理想晶格场不同，使缺陷部位的激活离子的能级发生位移，这就导致处于晶体不同部位的激活离子的发光中心频率不同。

综合加宽线型函数（气体）

跃迁：Transit

基态：Ground states

激发态：Excited states

自发发射：Spontaneous emission 受激发射：Stimulated emission 受激吸收：Stimulated absorption

线型函数：Lineshape Function

线宽：Line Width

均匀加宽: Homogeneous broadening

非均匀加宽：Inhomogeneous broadening