光谱的线宽和线形.ppt

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1、光谱的线宽和线型光谱的线宽和线型自由讨论：自由讨论：1，有那些函数分布，分别代表什么过程？，有那些函数分布，分别代表什么过程？2，影响光吸收的物理因素有哪些，影响光吸收的物理因素有哪些?3，光和原子相互作用有哪些过程？，光和原子相互作用有哪些过程？4，原子原子碰撞过程中，有哪些相互作用？，原子原子碰撞过程中，有哪些相互作用？5，光强对原子吸收的影响？，光强对原子吸收的影响？内容：内容：1，自然线宽，自然线宽2，Doppler加宽加宽3，碰撞加宽，碰撞加宽4，渡越加宽，渡越加宽5，饱和加宽，饱和加宽线宽线宽 半高全宽(FWHM,Full Width at Half Maximum)=半高宽=半宽

2、(half width)=线宽(linewidth)。谱线宽度来源自然、多普勒、碰撞、渡越，饱和等线型线型 g()线核线核 线翼线翼线核线核 一、辐射谱线自然线宽一、辐射谱线自然线宽 激发态的原子用一个经典阻尼谐振子描写：激发态的原子用一个经典阻尼谐振子描写：第第3.1节节 自然线宽自然线宽Fourier TransferNormalized Lorentzian可忽略Relation between linewidth,decay rate,and lifetime:If considering the ground state:Natural linewidthEnergy uncerta

3、intySpontaneous emissionEnergy uncertainty(lifetime)nms nsn=1/(2s)MHzLi D267127.25.85Na D258916.39.76Rb D278026.56.01Cs D2852315.13Ba 5549.117.49Ba 7911.37us0.12一些跃迁谱线的自然线宽一些跃迁谱线的自然线宽一、吸收线性一、吸收线性Oscillator with driven force qE宏观极化子：Light speed in mediumRelative permittivity相对介相对介电常数电常数相对磁相对磁化率化率Imag

4、inary is absorptionReal is dispersion,phase velocityKramers-Kronig relationEffective wave vector第第3.2节节 Doppler线宽线宽 相向运动时观察者感觉相向运动时观察者感觉辐射场频率升高，反向辐射场频率升高，反向时感觉频率降低时感觉频率降低 原子吸收原子吸收观察者观察者 动动辐射源辐射源 不动不动 原子发射原子发射观察者观察者 不动不动辐射源辐射源 动动(原子感受到的光频率原子感受到的光频率)(共振条件共振条件 0=)原子实际吸收的光频原子实际吸收的光频 a L 原子谱线的一级原子谱线的一级 (

5、线性线性)Doppler频移频移一、一、Doppler效应效应(一级一级)Maxwellian velocity distributionConsidering Doppler frequency shift(Doppler broadened distribution,Gussian distribution)HalfwidthM mole mass/atom number(kg)Maxwell DistributionHotColdT smallT large“Hot”vs.“Cold”速率 vs 速度Doppler线宽计算举例线宽计算举例ZamunmTKDGHz放电中 H L1121.6

6、100055.8热管中 Na D223589.15001.7室温 85Rb D285780.03000.52冷原子 85Rb D285780.0144K0.36 MHz热管中 7Li D7670.86003.0冷原子 7Li D7670.8140K1.4 MHz室温 Cs D2133852.13000.38室温 CO24410m3000.056室温 87Rb 钟跃迁876.8 GHz3009.0 KHz四、四、Lorentz线型与线型与Gauss线型的比较线型的比较 Lorentz 线宽线宽(FWHM):n=Ai=1/i n=n/2 一般情况一般情况 n=(1/I+1/k)Doppler sh

7、iftNatural profileCenter:G+LWing:L五、五、Voigt 线型线型(Lorentz线型与线型与Gauss线型的卷积线型的卷积)实际观察到的谱线线型一般都是实际观察到的谱线线型一般都是Viogt线型，通过反卷积分析得线型，通过反卷积分析得到到L(-0)和和G(-0)原子吸收和发射线性，同时受自发辐射和速度影响第第3.3节节 碰撞加宽碰撞加宽R(A,B)碰撞伙伴碰撞伙伴(对对)A-B质心间距质心间距 碰撞频移，可正可负碰撞频移，可正可负(取决于势能曲线取决于势能曲线/面面)2Rc 碰撞直径碰撞直径 c=Rc/v=2ps(1nm/500ms-1)碰撞时间碰撞时间(弹性弹

8、性)碰撞产生频移碰撞产生频移与加宽的原因：与加宽的原因：内能差内能差来自碰撞来自碰撞平动能，非碰撞产平动能，非碰撞产生改变体系内态生改变体系内态 绝热近似、绝热近似、B-O近似近似 原子核重排原子核重排(碰撞、化碰撞、化学反应学反应)过程中，电子过程中，电子的电荷分布的电荷分布/跃迁跃迁(fs)可实时快速地调整可实时快速地调整(垂垂直跃迁直跃迁)两体碰撞辐射B粒子数吸收测量测量I(,T)T 关系，可独立得到基态关系，可独立得到基态Vi(R)的信息：的信息：碰撞后辐射谱线产生加宽与移动：碰撞后辐射谱线产生加宽与移动：温度内态发生变化Lennard-Jones(12-6)势：势：诱导偶极矩诱导偶极

9、矩-诱导偶极矩之间相互作用诱导偶极矩之间相互作用Coulomb势：势：两两带电粒子之间相互作用带电粒子之间相互作用关于关于 V(R)正频移正频移碰撞频移来自碰撞对的动能转换碰撞频移来自碰撞对的动能转换动能减少动能减少负频移负频移动能增加动能增加非弹性碰撞：非弹性碰撞：导致（导致（A,B)内态发生变化，例如内态发生变化，例如A原子激发态原子激发态Ei的淬灭的淬灭 消激发的淬灭过程与自发辐射一样减少发光的激发态原消激发的淬灭过程与自发辐射一样减少发光的激发态原 子的布居数（淬灭碰撞）子的布居数（淬灭碰撞）非弹性碰撞导致加宽正比于压力非弹性碰撞导致加宽正比于压力（压力加宽）压力加宽）但不产生频移但不

10、产生频移 弹性碰撞：弹性碰撞：不改变（不改变（A,B)的内态，但引起频移的内态，但引起频移 扰相碰撞扰相碰撞气压振子频率变化振子相位变化碰撞时间Li弹性碰撞既导致加宽又弹性碰撞既导致加宽又产生频移：产生频移：频移碰撞截面频移碰撞截面展宽碰撞截面展宽碰撞截面碰撞频移碰撞加宽频移碰撞截面加宽碰撞截面弹性碰撞：弹性碰撞：相互作用势与线移、线宽的关系相互作用势与线移、线宽的关系l相移可正（相移可正（Ci Ck）可负（）可负（Ci 碰撞平均碰撞平均时间。频繁的弹性碰撞使得寿命时间。频繁的弹性碰撞使得寿命内平均速度分量变小，因而内平均速度分量变小，因而Doppler频移变小。如果平均自频移变小。如果平均自

11、由程由程 跃迁波长，且跃迁波长，且Doppler加加宽大于压力加宽时，出现谱线变宽大于压力加宽时，出现谱线变窄。窄。缓冲气体缓冲气体碰撞也导致扩散速率增加，因而相互作用时间增长，渡越加宽碰撞也导致扩散速率增加，因而相互作用时间增长，渡越加宽相对相对减小减小 另一类碰撞窄化另一类碰撞窄化（如：气泡（如：气泡Rb钟）钟）谱线的碰撞窄化谱线的碰撞窄化第第3.4节节 渡越加宽渡越加宽加宽的原因：加宽的原因：相互作用时间相互作用时间 T 自由光谱程自由光谱程/平均速度）平均速度）非均匀功率加宽（光谱烧孔）非均匀功率加宽（光谱烧孔）固体与液体中不均匀环境杂质原子辐射谱线的加宽固体与液体中不均匀环境杂质原子

12、辐射谱线的加宽第第3.6节节 饱和与功率加宽饱和与功率加宽加宽的原因：加宽的原因：光泵功率远大于弛豫速率，引起上能级粒子数布居的饱和光泵功率远大于弛豫速率，引起上能级粒子数布居的饱和物理模型物理模型1：二能级原子二能级原子(g1=g2=1)稳态速率方程稳态速率方程漂白漂白（无吸收）：（无吸收）：s ,N 0,0无光泵的吸收系数无光泵的吸收系数频率依赖饱和参数频率依赖饱和参数中心频率饱和参数中心频率饱和参数无饱和效应无饱和效应有饱和效应有饱和效应饱和光强：其增益为弱光条件下的饱和光强：其增益为弱光条件下的1/2 S=11D ms nsIsL mW/cm2Li D20.67127.22.5Na D

13、20.58916.36.3Rb D20.78026.51.7Cs D20.852311.1Ba 0.5549.113.4物理模型物理模型2：二能级原子与辐射场的稳态相互作用二能级原子与辐射场的稳态相互作用半经典理论半经典理论 （单原子，均匀加宽）（单原子，均匀加宽）饱和参数激发态的激发态的Rabi能级分裂能级分裂VS饱和增宽比较饱和增宽比较两峰两峰单峰单峰漂白漂白 vs 强场驱动区别：强场驱动区别：漂白-非相干泵浦；强场共振驱动-Rabi相干振荡，泵浦探测：泵浦探测：强场共振驱动的二能级原子，出现布居调制，因强场共振驱动的二能级原子，出现布居调制，因而探测光的响应（吸收）中出现边带（双峰结构，每个峰是而探测光的响应（吸收）中出现边带（双峰结构，每个峰是饱和加宽的）。总线型是两边带的叠加。饱和加宽的）。总线型是两边带的叠加。谱线线型、线宽分类与比较谱线线型、线宽分类与比较自然线宽自然线宽Doppler加宽加宽碰撞加宽碰撞加宽渡越加宽渡越加宽饱和加宽饱和加宽物理机制物理机制能级宽度Doppler效应势能曲线随间距变化有限的相互作用时间功率饱和线型线型L(-0)G(-0)LGL线宽线宽影响线宽影响线宽主要因素主要因素sTP,TV,d(w)I下节课：下节课：光谱仪光谱仪