原子分子光谱-第七-八次.ppt

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1、1原子分子光谱郭福明原子与分子物理研究所2储存环示意图储存环示意图插入件：产生各类插入件：产生各类不同特征的同步辐射不同特征的同步辐射同步加速腔：加速同步加速腔：加速电子，并补充同步电子，并补充同步辐射损失的能量辐射损失的能量真空室：减少因残留气体真空室：减少因残留气体碰撞而损失光束线能量碰撞而损失光束线能量四极磁铁：以透镜四极磁铁：以透镜机制聚焦粒子束机制聚焦粒子束弯转磁铁弯转磁铁：使束流轨使束流轨道转弯，产生同步辐射道转弯，产生同步辐射同步辐射同步辐射回顾3回顾41.1.辐射光的波长连续可调、辐射光的波长连续可调、范围宽范围宽；2.2.亮度高亮度高；3.3.准直性好；准直性好；4.4.单色

2、性好单色性好；5.5.偏振光；偏振光；6.6.有特定的时间结构；有特定的时间结构；7.7.稳定。稳定。8.8.多用户多用户同步辐射特性：同步辐射特性：回顾5入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜物镜物镜棱镜棱镜焦面焦面出射狭缝出射狭缝f分光系统分光系统 将由不同波长的“复合光”分开为一系列“单一”波长的“单色光”的器件。1.棱镜：棱镜：棱镜分光系统使辐射沿焦面呈非线性色散，短波的色散大于长波。回顾61).光栅光栅反射光栅反射光栅透射光栅透射光栅透光宽度透光宽度不透光宽度不透光宽度2).光栅常数光栅常数d 大量等宽等间距的平行狭缝大量等宽等间距的平行狭缝(或反射面或反射面)构成的光学元件构成的光学元件光栅

3、宽度为光栅宽度为l，每毫米缝数每毫米缝数为为m，则，则总缝数总缝数2.2.衍射光栅衍射光栅(光栅光栅)7光栅制作：光栅制作：以特殊的工具（如钻石），在硬质、磨光的光以特殊的工具（如钻石），在硬质、磨光的光学平面上刻出大量学平面上刻出大量紧密而平行的刻槽紧密而平行的刻槽。以此为。以此为母板，可用液态树脂在其上复制出光栅。制作母板，可用液态树脂在其上复制出光栅。制作的光栅有的光栅有平面透射光栅平面透射光栅、平面反射光栅平面反射光栅及及凹面凹面反射光栅反射光栅。通常的刻线数为通常的刻线数为300-2000刻槽刻槽/mm。最常用的是。最常用的是1200-1400刻槽刻槽/mm（紫外可见）及（紫外可见）

4、及100-200刻刻槽槽/mm（红外）。（红外）。83).光栅衍射的基本特点光栅衍射的基本特点屏上的强度为单缝衍射和缝间干屏上的强度为单缝衍射和缝间干涉的共同结果。涉的共同结果。以二缝光栅为例以二缝光栅为例结论结论：只考虑单缝衍射强度分布只考虑单缝衍射强度分布只考虑双缝干涉强度分布只考虑双缝干涉强度分布双缝光栅强度分布双缝光栅强度分布9二二.多缝干涉多缝干涉1).五五缝干涉例子缝干涉例子l主极大角位置条件主极大角位置条件k 称为称为主极大级数主极大级数相邻两缝在相邻两缝在P点点引起引起的光振动相位差为的光振动相位差为l主极大强度主极大强度为主极条件下单缝在为主极条件下单缝在P 点引起光振动矢量

5、的振幅点引起光振动矢量的振幅10对对N 缝干涉两主极大间缝干涉两主极大间有有N -1个个极小，极小，N-2个次极大。个次极大。衍射屏上总能量衍射屏上总能量主极大的强度主极大的强度由能量守恒，主极大的由能量守恒，主极大的宽度宽度随着随着N的增大，主极的增大，主极大变得更为尖锐大变得更为尖锐，且，且主极大间为暗背景主极大间为暗背景2).N 缝干涉缝干涉缝干涉强度分布缝干涉强度分布缝干涉强度分布缝干涉强度分布缝干涉强度分布缝干涉强度分布113)3)单缝衍射单缝衍射121314151617181920缝间干涉主极大就是光栅衍射主极大，其位置满足缝间干涉主极大就是光栅衍射主极大，其位置满足 光栅方程光栅

6、方程 多缝干涉主极大光强受单缝衍射光强调制，使得主极大光多缝干涉主极大光强受单缝衍射光强调制，使得主极大光强大小不同，在单缝衍射光强极小处的强大小不同，在单缝衍射光强极小处的主极大主极大缺级。缺级。缺级条件缺级条件如如缺级缺级缺级缺级缺级条件分析缺级条件分析三三.衍射和缝间干涉的共同结果衍射和缝间干涉的共同结果21222324单缝衍射和缝间干涉的共同结果几种缝的光栅衍射几种缝的光栅衍射25斜入射的光栅方程斜入射的光栅方程主极大条件主极大条件k=0,1,2,3缺级条件缺级条件最多明条纹数最多明条纹数p26一束波长为一束波长为480nm的单色平行光，照射在每毫米内有的单色平行光，照射在每毫米内有6

7、00条刻痕的平面透射光栅上。条刻痕的平面透射光栅上。求求(1)光线垂直入射时，最多能看到第几级光谱？光线垂直入射时，最多能看到第几级光谱？(2)光线以光线以30o入射角入射时，最多能看到第几级光谱？入射角入射时，最多能看到第几级光谱？例例解解(1)当当 =-90o 时时当当 =90o 时时(2)27(2)斜入射时，可得到更高级次的光谱，提高分辨率。斜入射时，可得到更高级次的光谱，提高分辨率。(1)斜入射级次分布不对称斜入射级次分布不对称(3)垂直入射和斜入射相比，垂直入射和斜入射相比，完整级次数不变。完整级次数不变。(4)垂直入射和斜入射相比，垂直入射和斜入射相比，缺级级次相同。缺级级次相同。

8、上题中垂直入射级数上题中垂直入射级数斜入射级数斜入射级数说明说明28四四.光栅光谱及分辨本领光栅光谱及分辨本领1).光栅光谱光栅光谱0级级1级级2级级-2级级-1级级3级级-3级级白光的光栅光谱白光的光栅光谱2).光栅的色分辨本领光栅的色分辨本领(将波长相差很小的两个波长将波长相差很小的两个波长 和和+分开的能力分开的能力)色谱仪的色分辨率色谱仪的色分辨率29设两波长设两波长 1和和 2=1+在第在第k 级刚好能被光栅分辨，则有级刚好能被光栅分辨，则有当当(光栅的色分辨本领光栅的色分辨本领)由由(1)、(2)得得其中其中根据瑞利判据：根据瑞利判据：时刚能时刚能分辨分辨为波长为波长 1第第k 级

9、主极大半角宽度，且级主极大半角宽度，且光栅的色分辨率光栅的色分辨率讨论讨论增大主极大级次增大主极大级次 k 和总缝数和总缝数N，可提高光栅的分辨率。，可提高光栅的分辨率。30五.闪耀光栅 n平面式光栅的零级谱无色散。但该级却具有最大的能量。n能量集中是单元衍射的结果，大部分能量都集中在几何像点（衍射的中央主极大，即衍射零级）上。n对于平面光栅，单元衍射零级的位置与缝间干涉零级的位置恰好是重合的。n如果让衍射零级偏离干涉零级的位置，即让单元衍射的中央零级与j=1，或2，的光谱重合，即可解决上述问题。n闪耀光栅具有这种能力。3132平面反射光栅（闪耀光栅，小阶梯光栅）平面反射光栅（闪耀光栅，小阶梯

10、光栅）将平行的狭缝刻制成具有相同形状的刻槽（多为三角形），此将平行的狭缝刻制成具有相同形状的刻槽（多为三角形），此时，入射线的小反射面与夹角时，入射线的小反射面与夹角 一定，此时反射线集中于一个方向，一定，此时反射线集中于一个方向，从而使光能集中于所需要的一级光谱上。此种光栅又称闪耀光栅。当从而使光能集中于所需要的一级光谱上。此种光栅又称闪耀光栅。当=时，在衍射角时，在衍射角 方向可获得最大的光强，方向可获得最大的光强，也称为闪耀角。也称为闪耀角。如下图所示。如下图所示。A AB BC CD Dd d 1P P0 0距离距离相相对对强强度度P P1 133k=0k=034k=0k=03536小

11、阶梯光栅与中阶梯光栅的性能比较小阶梯光栅与中阶梯光栅的性能比较 37入射狭缝S1出射狭缝S2球面镜M1球面镜M2反射光栅G（闪耀光栅）S1处于M1的焦平面处。光栅单色仪S2处于M2的焦平面处。38球面闪耀光栅G2探测器引出单色光双光栅光谱仪（单色仪）G1G2球面闪耀光栅G1光谱仪单色仪39激光激光LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation40理论基础：爱因斯坦的光子学说(1905)；波粒二象性(1909)辐射理论(1917)：提出了受激辐射的概念，预测到光可以产生受激辐射放大。Einstein41梅曼和第一只激光器

12、梅曼和第一只激光器红宝石激光器42常用激光器由三部分组成：常用激光器由三部分组成：工作物质工作物质泵浦源泵浦源光学谐振腔光学谐振腔激光激光激光器结构示意图激光器结构示意图全反镜半反镜增益介质泵浦灯1.激光器的结构43按输出方式分：按输出方式分：脉冲输出脉冲输出连续输出连续输出按工作物质分按工作物质分：半导体激光器半导体激光器气体激光器气体激光器固体激光器固体激光器液体激光器液体激光器自由电子激光器自由电子激光器2.激光器的分类按输出波长分：按输出波长分：紫外和真空紫外激光器紫外和真空紫外激光器红外和远红外激光器红外和远红外激光器可见光激光器可见光激光器X射线激光器射线激光器44固体激光器固体激

13、光器45气体激光器气体激光器46液体激光器液体激光器47半导体激光器半导体激光器48自由电子激光器自由电子激光器49（1 1）方向性好）方向性好激光束的发散角很小，一般激光束的发散角很小，一般为为激光定位、导向、测距等激光定位、导向、测距等就利用了方向性好的特点。就利用了方向性好的特点。3.激光的特性及应用（2 2）单色性好）单色性好计量工作的标准光源、计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性激光通讯等利用了单色性好的特点。好的特点。光缆光缆50(3)(3)亮度高亮度高 亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单位立体角内发射的功率。位立体角内发射的功率。激

14、光的输出功率虽然有个限激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细（发散特别度，但由于其光束细（发散特别小），功率密度特别大，因而其小），功率密度特别大，因而其亮度也特别大。把分散在亮度也特别大。把分散在180180范围内的光集中到范围内的光集中到0.18 0.18 范围，范围，亮度提高亮度提高100100万倍。通过调万倍。通过调Q Q等技等技术，压缩脉冲宽度，还可以进一术，压缩脉冲宽度，还可以进一步提高亮度。步提高亮度。51(4)(4)相干性好相干性好激光具有很好的相干性。激光具有很好的相干性。普通光源的相干长度约为普通光源的相干长度约为1 1毫米至几十厘米，毫米至几十厘米，激光可达几十公里。

15、激光可达几十公里。全息照相、全息全息照相、全息存储等就利用了相干存储等就利用了相干性好的特点。性好的特点。全息照相全息照相52激光的应用：激光的应用：5354应用实例：应用实例：5556光盘存储器原理光盘存储器原理激光刻蚀与读出激光刻蚀与读出57激光打孔激光打孔激光切割激光切割58低能激光武器低能激光武器高能激光武器高能激光武器5960激光控制激光控制核聚变核聚变61激光测距与激光雷达激光测距与激光雷达6263646566激光动力火箭674.激光器原理EiEn受激发射受激辐射光放大68高高高高能能能能级级级级低低低低能能能能级级级级原子数按能级分布原子数按能级分布热平衡时，单位体积内处于各个能

16、级上的原子数分布热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布波尔兹曼分布律波尔兹曼分布律波尔兹曼分布律波尔兹曼分布律:ENE2E1N2N169受激吸收受激吸收自发发射自发发射受激发射受激发射光子与光子与原子原子分子分子相互作用相互作用离子离子光与物质相互作用光与物质相互作用EnEnEi受激吸收EiEn受激发射Ei自发发射70受激吸收爱因斯坦系数单位时间、单位体积内单位时间、单位体积内单位时间、单位体积内单位时间、单位体积内吸收的光子数吸收的光子数吸收的光子数吸收的光子数:B12(21)N1低能级E1的

17、粒子数密度W12=B12(21)受激吸收概率受激吸收概率:光场的能量密度B21 (21)N2单位时间、单位体积单位时间、单位体积产生的光子数产生的光子数:W21=B21 (21)受激辐射概率受激辐射概率受激辐射概率受激辐射概率:受激辐射爱因斯坦系数71B21 (21)=B12 (21)跃迁概率相等跃迁概率相等:受激吸收受激吸收受激发射受激发射同时存在同时存在受激吸收总是占优势受激吸收总是占优势表现为光的吸收表现为光的吸收通常情况下通常情况下：N1 N2B21(21)N1 B12(21)N272粒子数分布反转粒子数分布反转受激发射占优势受激发射占优势为得到光放大为得到光放大,必须使必须使N2 N

18、173实现粒子数反转分布的条件实现粒子数反转分布的条件电激励电激励化学激励化学激励热激励热激励光激励光激励1)激励激励(又称泵浦又称泵浦)介质对光的增益作用介质对光的增益作用E1E2泵浦74n光激励用光照射工作物质，工作物质吸收光能后产生粒子数反转，可采用高效率、高强度的发光灯、太阳能和激光n放电激励在放电过程中，气体分子（或原子，离子）与被电场加速的电子碰撞，吸收电子能量后跃迁到高能级，形成粒子数反转n热能激励用高温加热方式使高能级上气体粒子数增加，然后突然降低气体温度，因高、低能级的热驰豫时间不同，可使粒子数反转n化学能激励利用化学反应过程中释放的能量来激励粒子，建立粒子数反转。为产生化学

19、反应，一般还需采用一定的引发措施，如采用光引发、电引发、化学引发等方式752)合适的能级结构合适的能级结构二能级系统二能级系统 用光泵浦的方法不用光泵浦的方法不可能实现粒子数反转分布可能实现粒子数反转分布76三能级系统三能级系统三能级系统三能级系统E3E12EN21N3NE0N亚稳态能级亚稳态能级NEE3E12EN21N3N0E1E3E2泵浦亚稳态77四能级系统四能级系统比三能级系统容易实比三能级系统容易实现粒子数反转分布。现粒子数反转分布。E1E4E3泵浦亚稳态E2781 1）红宝石激光器的工作物质：红宝石）红宝石激光器的工作物质：红宝石 是掺有少量铬离子（是掺有少量铬离子（Cr3+)的的（

20、Al2O3)晶体。晶体。采用采用光激励光激励方法：方法：受激和发光都在受激和发光都在Cr3+上上进行，进行，是典型的三能是典型的三能级系统级系统。5.典型激光器7980在光泵作用下，Cr3+吸收辐射能量，跃迁到激发态4T1和4T2，并无辐射地跃迁到亚稳态2E能级，使2E基态之间形成粒子数反转，发射693.3nm和693.4nm两条红色激光线。81常用固体激光器：822）氦氖气体激光器是四能级系统氦氖气体激光器是四能级系统氖原子氖原子在在 间间实现粒子数反转分布实现粒子数反转分布s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞撞电子碰撞激发电子碰撞激发电电子子碰激激发发自发辐射自发辐射632.8nm共

21、共振振转转移移83n放电管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转，产生激光跃迁的是Ne气，He是辅助气体，用以提高Ne原子的泵浦速率n最强的谱线有三条：0.6328m（红色）、3.39m和1.15m，常用的为0.6328mn四能级系统84853)二氧化碳激光器工作物质：工作物质：CO2、N2和和He的混的混合物合物激光波长：激光波长：10.6微米、微米、9.6微米微米（远红外光）（远红外光）（利用基态的不同振动态的转（利用基态的不同振动态的转动能级之间的跃迁，故光子能动能级之间的跃迁，故光子能量小）量小）特点：特点：激

22、光器效率高、输出能激光器效率高、输出能量大、功率高量大、功率高。四能级、电激励86874）染料激光器n有机化合物液体（染料）激光器，简称染料激光器n染料激光器：若丹明6G、隐花青，豆花素n特点：激光波长可调谐且调谐范围宽广、可产生极短的超短脉冲（3fs）、可获得窄的谱线宽度n广泛应用到光生物学、光谱学、光化学同位素分离、全息照像等技术中，研究物质的瞬态变化过程及微观动力学。88主要采用光泵浦，即用短脉冲宽度的闪光灯泵浦或其它激光器泵浦8990四能级91925）半导体激光器n半导体激光器以半导体为工作物质，常用材料有GaAs（砷化镓）、InP等。具有小型、高效率、结构简单、价格便宜等优点，在光纤

23、通信、激光唱片、光盘、数显、准直等领域得到广泛应用。半导体激光器又称为半导体激光二极管，或简称激光二极管，英半导体激光器又称为半导体激光二极管，或简称激光二极管，英文缩写为文缩写为LD (Laser Diode)LD (Laser Diode)，是实用中最重要的一类激光器，是实用中最重要的一类激光器。93利用半导体中载流子（电子或空穴）在导带和价带之间的受激跃迁而实现受激辐射光放大。（半导体中的电流是电子和空穴的移动而形成的，称为载流子。）94956）自由电子激光器96zdz增益介质增益介质实现粒子数反转后的工作物质实现粒子数反转后的工作物质实现粒子数反转后的工作物质实现粒子数反转后的工作物质

24、6.6.介质的增益作用介质的增益作用介质的增益作用介质的增益作用zdI(z)z z+dzL通过增益介质后通过增益介质后,光强随距离增长光强随距离增长介质对光的增益系数介质对光的增益系数97一对反射镜为端面的腔体称为一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔谐振腔。7.光学谐振腔的作用光学谐振腔的作用激光在两反射镜间形成激光在两反射镜间形成驻波驻波。谐振条件为：。谐振条件为：2nL=k =k c 2nL L:腔长腔长n:介质介质折射率折射率98振荡模式振荡模式是指能够在谐振腔内存在的稳定是指能够在谐振腔内存在的稳定的光波基本形式，用的光波基本形式，用TEMmnq表示。表示。m和和n表征该模式在垂直于腔轴内

25、形成表征该模式在垂直于腔轴内形成驻波的节点数驻波的节点数,称称横模数横模数。q表示该模式在光腔轴的平面内形成的节表示该模式在光腔轴的平面内形成的节点数，称点数，称纵模数纵模数。1.纵模纵模 能引起振荡的频率关系能引起振荡的频率关系2.横模横模 光场在横向不同的稳定分布。光场在横向不同的稳定分布。99IxyITEM00横模横模IyIxTEM10yIIxTEM111001018.激光形成的阈值条件激光形成的阈值条件光在谐振腔内受到各种光在谐振腔内受到各种损耗损耗:(1)反射镜的透射损耗反射镜的透射损耗(2)谐振腔的内部损耗谐振腔的内部损耗I3I1I0rr12内内I4I2光在腔内往返一次不光在腔内往

26、返一次不会被衰减的条件，会被衰减的条件，即即形成激光振荡的阈值形成激光振荡的阈值条件：条件：内内阈阈内内102由以上讨论可将激光工作原理总结如下：由以上讨论可将激光工作原理总结如下：由以上讨论可将激光工作原理总结如下：由以上讨论可将激光工作原理总结如下：(1)工作物质在激励能源激励下实现粒子工作物质在激励能源激励下实现粒子数反转数反转(2)由自发辐射产生的少数沿腔轴方向传由自发辐射产生的少数沿腔轴方向传播的光子在工作物质中引起受激辐射播的光子在工作物质中引起受激辐射(3)光学谐振腔使受激辐射的光子在腔内光学谐振腔使受激辐射的光子在腔内往返振荡，不断得到放大往返振荡，不断得到放大(4)满足阈值条件下形成激光满足阈值条件下形成激光103激光技术发展：激光技术发展：随着1962年利用调Q技术获得了兆瓦、纳秒量级的激光输出和1964年又利用锁模技术获得了吉瓦、皮秒量级的激光输出，人们的注意力集中到了共振研究上，原子已经受到足够强的扰动以至于必需由非微扰缀饰态理论来解释，原子动力学得到加速发展。到了80年代末，啁啾脉冲放大技术(CPA)的出现进一步把激光脉冲提高到太瓦、飞秒量级。104Pulse width of different laser systems by year.105谢 谢！