原子分子光谱-第七-八次-20121130.ppt
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1、原子分子光谱-第七-八次-20121130 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望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
2、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
3、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
4、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)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
5、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
6、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
7、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600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
8、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。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
9、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
10、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
11、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 Radiatio
12、n40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.
13、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
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