原子分子光谱-第七-八次

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1、1郭 福 明原 子 与 分 子 物 理 研 究 所 ,13514412463 2储 存 环 示 意 图 插 入 件 ： 产 生 各 类不 同 特 征 的 同 步 辐 射同 步 加 速 腔 ： 加 速电 子 ， 并 补 充 同 步辐 射 损 失 的 能 量 真 空 室 ： 减 少 因 残 留 气 体碰 撞 而 损 失 光 束 线 能 量 四 极 磁 铁 ： 以 透 镜机 制 聚 焦 粒 子 束 弯 转 磁 铁 ： 使 束 流 轨道 转 弯 ， 产 生 同 步 辐 射同 步 辐 射 回 顾 3回 顾 4 1. 辐 射 光 的 波 长 连 续 可 调 、 范 围 宽 ；2. 亮 度 高 ；3. 准

2、直 性 好 ；4. 单 色 性 好 ；5. 偏 振 光 ；6. 有 特 定 的 时 间 结 构 ；7. 稳 定 。8.多 用 户同 步 辐 射 特 性 ： 回 顾 5入 射 狭 缝 准 直 镜 物 镜棱 镜 焦 面 出 射 狭 缝f 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 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 6 1). 光 栅 反 射 光 栅透 射 光 栅 透 光 宽 度不 透 光

3、宽 度2) . 光 栅 常 数 d bad ab 大 量 等 宽 等 间 距 的 平 行 狭 缝 (或 反 射 面 )构 成 的 光 学 元 件光 栅 宽 度 为 l ， 每 毫 米 缝 数为 m ， 则 总 缝 数 lmN 2.衍 射 光 栅 (光 栅 ) 7 光 栅 制 作 ： 以 特 殊 的 工 具 （ 如 钻 石 ） ， 在 硬 质 、 磨 光 的 光 学 平 面 上 刻 出 大 量 紧 密 而 平 行 的 刻 槽 。 以 此 为 母 板 ， 可 用 液 态 树 脂 在 其 上 复 制 出 光 栅 。 制 作 的 光 栅 有 平 面 透 射 光 栅 、 平 面 反 射 光 栅 及 凹

4、面 反 射 光 栅 。 通 常 的 刻 线 数 为 300-2000刻 槽 /mm。 最 常 用 的 是 1200-1400刻 槽 /mm（ 紫 外 可 见 ） 及 100-200刻 槽 /mm（ 红 外 ） 。 8 x2sd P1s oaad 3 f3). 光 栅 衍 射 的 基 本 特 点屏 上 的 强 度 为 单 缝 衍 射 和 缝 间干 涉 的 共 同 结 果 。 以 二 缝 光 栅 为 例 x结 论 ： 1 0 1 k1 0II2 2只 考 虑 单 缝 衍 射 强 度 分 布只 考 虑 双 缝 干 涉 强 度 分 布 双 缝 光 栅 强 度 分 布1 0 1 k1 0II3 0 3

5、k6 60II1 9 sind二 . 多 缝 干 涉1). 五 缝 干 涉 例 子 kd sinl 主 极 大 角 位 置 条 件,2,1,0kk 称 为 主 极 大 级 数 2sin2 kd A AA 5 IAI 22 5相 邻 两 缝 在 P点 引 起 的 光 振 动 相 位 差 为l 主 极 大 强 度为 主 极 条 件 下 单 缝 在 P 点 引 起 光 振 动 矢 量 的 振 幅 Pba L f oA 10 对 N 缝 干 涉 两 主 极 大 间有 N - 1个 极 小 ， N - 2 个 次 极 大 。 1m 0m 1m081 I I 1m 0m 1m04 I I2N 5N 9N衍

6、 射 屏 上 总 能 量 NE 主 极 大 的 强 度 2NI 由 能 量 守 恒 ， 主 极 大 的宽 度 N1随 着 N 的 增 大 ， 主 极大 变 得 更 为 尖 锐 ， 且主 极 大 间 为 暗 背 景2). N 缝 干 涉 1m 0m 1m025 I I缝 干 涉 强 度 分 布缝 干 涉 强 度 分 布 缝 干 涉 强 度 分 布 11 3)单 缝 衍 射 12 13 14 15 16 17 18 19 20 缝 间 干 涉 主 极 大 就 是 光 栅 衍 射 主 极 大 ， 其 位 置 满 足 kd sin ,3,2,1,0k 光 栅 方 程 多 缝 干 涉 主 极 大 光 强

7、 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 主 极 大 缺 级 。 ka sin dkak sinadkk 2ad 23ad 6,4,2 k 9,6,3 k缺 级 条 件如 缺 级缺 级缺 级 条 件 分 析 ,3,2,1k kd sin 三 . 衍 射 和 缝 间 干 涉 的 共 同 结 果 21d=3aN=4 (sinN /sin )2 I0(sinu/u)2 u= asin / 22N=6,d=5a 23N=20,d=3a 24单 缝 衍 射 和 缝 间 干 涉 的 共 同 结 果 1N 20N 6N

8、 5N3N 2N 几 种 缝 的 光 栅 衍 射 25 斜 入 射 的 光 栅 方 程 kd )sin(sin主 极 大 条 件k = 0, 1, 2, 3 N缺 级 条 件 )sin(sin ka kd )sin(sin最 多 明 条 纹 数 )22( )sin2(sinmax dk )sin2 (sin max -dk 1maxmax kkN AB aN sin)1( sin)1( aN p 26 一 束 波 长 为 480 nm 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 。求 (1) 光 线 垂 直 入 射 时 ， 最

9、多 能 看 到 第 几 级 光 谱 ？(2) 光 线 以 30o入 射 角 入 射 时 ， 最 多 能 看 到 第 几 级 光 谱 ？例 kd sin m 1061106001 53 d dk max 3108.46 10 75 解 (1) 当 = -90o 时当 = 90o 时 kd )03sin(sin o 5max k 1max k(2) 27 (2) 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(3) 垂 直 入 射 和 斜 入 射 相 比 ， 完 整 级 次 数 不 变 。(4) 垂 直 入 射

10、和 斜 入 射 相 比 ， 缺 级 级 次 相 同 。 kd )sin(sin )sin(sin ka adkk ,3,2,1k上 题 中 垂 直 入 射 级 数 3 ,2 ,1 ,0 ,1,2,3 k斜 入 射 级 数 5 ,4 ,3 ,2 ,1 ,0 ,1k说 明 28 四 . 光 栅 光 谱 及 分 辨 本 领1). 光 栅 光 谱 0级 1级 2级-2级 -1级 3级-3级 白 光 的 光 栅 光 谱2). 光 栅 的 色 分 辨 本 领( 将 波 长 相 差 很 小 的 两 个 波 长 和 + 分 开 的 能 力 ) 色 谱 仪 的 色 分 辨 率 R 29 设 两 波 长 1 和

11、2 = 1+ 在 第 k 级 刚 好 能 被 光 栅 分 辨 ， 则 有1,1sin kd k 2,2sin kd k (1),2,1,1cos kd kk当 kNR ( 光 栅 的 色 分 辨 本 领 )由 (1) 、 (2) 得 kkk ,1,2,2,1 其 中k,1根 据 瑞 利 判 据 ： kk ,1,2,1 (2) cos ,1,1 kk Nd 时 刚 能 分 辨为 波 长 1第 k 级 主 极 大 半 角 宽 度 ， 且光 栅 的 色 分 辨 率讨 论增 大 主 极 大 级 次 k 和 总 缝 数 N ， 可 提 高 光 栅 的 分 辨 率 。 30 五 .闪 耀 光 栅 n 平

12、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

13、 耀 光 栅 具 有 这 种 能 力 。 31 N=6,d=5a 32 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 ，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 方 向 可 获 得 最 大 的 光 强 ， 也 称 为 闪 耀 角 。 如 下 图 所 示

14、 。 A BC Dd1 P0距 离相对强度 P1 33 -6 -4 -2 0 2 4 6 -6-4 -20 24 6 k=0 k=0 34 -6- 4-2 02 46 k=0 k=0 35 36 光 栅 参 数 常 规 闪 耀 光 栅 中 阶 梯 光 栅 焦 距 ， f 0.5 m 0.5 m 刻 槽 密 度 1200/mm 79/mm 衍 射 角 ， 10 o22 63o26 级 次 ， n 1 75 分 辨 率 (300nm)， R 62,400 763,000 倒 线 色 散 率 ， d/dl 16埃 /mm 1.5埃 /mm 聚 光 本 领 f/9.8 f/8.8 小 阶 梯 光 栅

15、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 39LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 40 理 论 基 础 ：爱 因 斯 坦 的 光 子

16、 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 。 Einstein 41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 ： 工 作 物 质 泵 浦 源 光 学 谐 振 腔激 光激 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 ： 脉 冲 输 出连 续 输 出 按 工 作 物 质 分 ： 半 导 体 激 光 器气 体 激 光

17、 器固 体 激 光 器液 体 激 光 器自 由 电 子 激 光 器2.激 光 器 的 分 类按 输 出 波 长 分 ： 紫 外 和 真 空 紫 外 激 光 器红 外 和 远 红 外 激 光 器可 见 光 激 光 器X射 线 激 光 器 44固 体 激 光 器 45气 体 激 光 器 46液 体 激 光 器 47半 导 体 激 光 器 48自 由 电 子 激 光 器 49 （ 1） 方 向 性 好 激 光 束 的 发 散 角 很 小 ， 一 般为 sr1010 85 激 光 定 位 、 导 向 、 测 距 等就 利 用 了 方 向 性 好 的 特 点 。3. 激 光 的 特 性 及 应 用（ 2

18、） 单 色 性 好 计 量 工 作 的 标 准 光 源 、激 光 通 讯 等 利 用 了 单 色 性好 的 特 点 。 光 缆 50 (3)亮 度 高 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 。 激 光 的 输 出 功 率 虽 然 有 个 限度 ， 但 由 于 其 光 束 细 （ 发 散 特 别小 ） ， 功 率 密 度 特 别 大 ， 因 而 其亮 度 也 特 别 大 。 把 分 散 在 180范 围 内 的 光 集 中 到 0.18 范 围 ，亮 度 提 高 100万 倍 。 通 过 调 Q等 技术 ， 压 缩 脉

19、冲 宽 度 ， 还 可 以 进 一步 提 高 亮 度 。 51 (4)相 干 性 好激 光 具 有 很 好 的 相 干 性 。 普 通 光 源 的 相 干 长 度 约 为 1毫 米 至 几 十 厘 米 ，激 光 可 达 几 十 公 里 。 全 息 照 相 、 全 息存 储 等 就 利 用 了 相 干性 好 的 特 点 。 全 息 照 相 52 激 光 的 应 用 ： 53 54 应 用 实 例 ： 55 56 光 盘 存 储 器 原 理 激 光 刻 蚀 与 读 出 57激 光 打 孔 激 光 切 割 58低 能 激 光 武 器 高 能 激 光 武 器 59 60 激 光 控 制核 聚 变 61

20、 激 光 测 距 与 激 光 雷 达 62 63 64 65 66 激 光 动 力 火 箭 67 EiEnni EE 受 激 发 射 受 激 辐 射 光 放 大 68 原 子 数 按 能 级 分 布 kTEEeNN )(12 12E NE2E1 N 2N1 2N1N 69 光 与 物 质 相 互 作 用 EnEnEiin EE 受 激 吸 收 EiEnni EE 受 激 发 射 Eiin EE 自 发 发 射 70 受 激 吸 收 爱 因 斯 坦 系 数低 能 级 E1的 粒 子 数 密 度受 激 吸 收 概 率 : 光 场 的 能 量 密 度单 位 时 间 、 单 位 体 积 产 生 的 光

21、 子 数 :W21 = B21 (21) 受 激 辐 射 爱 因 斯 坦 系 数 71 72 为 得 到 光 放 大 ,必 须 使 2N 1N 73 介 质 对 光 的 增 益 作 用 E1E2泵浦 74 n 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 ，

22、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 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 75 76E3E12E N2 1N3N E0 N NEE3

23、E12E N21N3N0E1E3 E2泵浦 亚 稳 态12 EEh 77E1 E4 E3泵浦 亚 稳 态E2 3 2h E E 78 5.典 型 激 光 器 79 80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 ： 82氖 原 子在 间实 现 粒 子 数 反 转 分 布s3 p2 s2s1 Nes3s12 s32H

24、e p2p3碰 632.8nm共振转移 83 n 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 84 85 3) 二 氧 化 碳 激 光 器工

25、作 物 质 ： CO2、 N2和 H e的 混合 物激 光 波 长 ： 10.6微 米 、 9.6微 米（ 远 红 外 光 ）（ 利 用 基 态 的 不 同 振 动 态 的 转动 能 级 之 间 的 跃 迁 ， 故 光 子 能量 小 ）特 点 ： 激 光 器 效 率 高 、 输 出 能量 大 、 功 率 高 。 四 能 级 、 电 激 励 86 87 4） 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

26、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 89 90四 能 级 91 92 5） 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 ）

27、、InP等 。 具 有 小 型 、 高 效 率 、 结 构 简 单 、 价 格 便 宜 等 优 点 ， 在 光 纤 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 ， 英文 缩 写 为 LD (Laser Diode)， 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 。 （

28、 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 。 ） 94 95 6） 自 由 电 子 激 光 器 96 0IOI LIz dz b增 益 介 质 zI zdI(z) z z+dz LI L eGZIzI 0 zI Iz zG dd 97 7. 光 学 谐 振 腔 的 作 用 98 99 I x y I TEM00I y IxTEM10 y II xTEM11 100 101 I3 I1I0 rr 12)L a2(GerrII 2104 内 I 4 I212 2104 )L a(GerrII 内 )1ln()21( 21rrL aG阈

29、 内 102 103 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 。 104 Pulse width of different laser systems by year. 105 谢 谢 ！