原子分子光譜-第七-八次.ppt

1,原子分子光譜 郭福明 原子與分子物理研究所 2,同步輻射,回顧,3,回顧,4,1. 輻射光的波長連續(xù)可調、范圍寬； 2. 亮度高； 3. 準直性好； 4. 單色性好； 5. 偏振光； 6. 有特定的時間結構； 7. 穩(wěn)定。 8.多用戶,同步輻射特性：,回顧,5,分光系統(tǒng) 將由不同波長的“復合光”分開為一系列“單一”波長的“單色光”的器件。,1. 棱鏡：,棱鏡分光系統(tǒng)使輻射沿焦面呈非線性色散，短波的色散大于長波。,回顧,6,1). 光柵,反射光柵,透射光柵,透光寬度,不透光寬度,2) . 光柵常數(shù)d, 大量等寬等間距的平行狹縫(或反射面)構成的光學元件,光柵寬度為 l ，每毫米縫數(shù)為 m ，則總縫數(shù),2.衍射光柵(光柵),7,光柵制作： 以特殊的工具（如鉆石），在硬質、磨光的光 學平面上刻出大量緊密而平行的刻槽。以此為 母板，可用液態(tài)樹脂在其上復制出光柵。制作 的光柵有平面透射光柵、平面反射光柵及凹面 反射光柵。 通常的刻線數(shù)為300-2000刻槽/mm。最常用的是 1200-1400刻槽/mm（紫外可見）及100-200刻 槽/mm（紅外）。,8,3). 光柵衍射的基本特點,屏上的強度為單縫衍射和縫間干涉的共同結果。,以二縫光柵為例,結論：,9,二. 多縫干涉,1). 五縫干涉例子,主極大角位置條件,k 稱為主極大級數(shù),相鄰兩縫在 P點引起的光振動相位差為,主極大強度,為主極條件下單縫在 P 點引起光振動矢量的振幅,10,對N 縫干涉兩主極大間有N - 1個極小， N - 2 個次極大。,衍射屏上總能量,主極大的強度,由能量守恒，主極大的寬度,隨著N 的增大，主極大變得更為尖銳，且主極大間為暗背景,2). N 縫干涉,縫干涉強度分布,縫干涉強度分布,縫干涉強度分布,11,3)單縫衍射,12,13,14,15,16,17,18,19,20,縫間干涉主極大就是光柵衍射主極大，其位置滿足, 光柵方程,多縫干涉主極大光強受單縫衍射光強調制，使得主極大光強大小不同，在單縫衍射光強極小處的主極大缺級。,缺級條件,如,缺級,缺級,缺級條件分析,三. 衍射和縫間干涉的共同結果,21,22,23,24,單縫衍射和縫間干涉的共同結果,幾種縫的光柵衍射,25,斜入射的光柵方程,主極大條件,k = 0, 1, 2, 3,缺級條件,最多明條紋數(shù),p,26,一束波長為 480 nm 的單色平行光，照射在每毫米內(nèi)有600條刻痕的平面透射光柵上。,求,(1) 光線垂直入射時，最多能看到第幾級光譜？,(2) 光線以 30o入射角入射時，最多能看到第幾級光譜？,例,27,(2) 斜入射時，可得到更高級次的光譜，提高分辨率。,(1) 斜入射級次分布不對稱,(3) 垂直入射和斜入射相比，完整級次數(shù)不變。,(4) 垂直入射和斜入射相比，缺級級次相同。,上題中垂直入射級數(shù),斜入射級數(shù),說明,28,四. 光柵光譜及分辨本領,1). 光柵光譜,0級,1級,2級,-2級,-1級,3級,-3級,白光的光柵光譜,2). 光柵的色分辨本領,( 將波長相差很小的兩個波長 和+ 分開的能力 ),色譜儀的色分辨率,29,設兩波長1 和2 = 1+ 在第k 級剛好能被光柵分辨，則有,當,( 光柵的色分辨本領 ),由(1) 、(2) 得,其中,光柵的色分辨率,討論,增大主極大級次 k 和總縫數(shù) N ，可提高光柵的分辨率。,30,五.閃耀光柵,平面式光柵的零級譜無色散。但該級卻具有最大的能量。 能量集中是單元衍射的結果，大部分能量都集中在幾何像點（衍射的中央主極大，即衍射零級）上。 對于平面光柵，單元衍射零級的位置與縫間干涉零級的位置恰好是重合的。 如果讓衍射零級偏離干涉零級的位置，即讓單元衍射的中央零級與j=1，或2，的光譜重合，即可解決上述問題。 閃耀光柵具有這種能力。,31,32,平面反射光柵（閃耀光柵，小階梯光柵） 將平行的狹縫刻制成具有相同形狀的刻槽（多為三角形），此時，入射線的小反射面與夾角 一定，此時反射線集中于一個方向，從而使光能集中于所需要的一級光譜上。此種光柵又稱閃耀光柵。當= 時，在衍射角方向可獲得最大的光強， 也稱為閃耀角。 如下圖所示。,33,k=0,k=0,34,k=0,k=0,35,36,小階梯光柵與中階梯光柵的性能比較,37,入射狹縫S1,出射狹縫S2,球面鏡M1,球面鏡M2,反射光柵G（閃耀光柵）,S1處于M1的焦平面處。,光柵單色儀,S2處于M2的焦平面處。,38,球面閃耀光柵G2,探測器,引出單色光,雙光柵光譜儀（單色儀）,G1,G2,球面閃耀光柵G1,光譜儀,單色儀,39,激光,LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,40,理論基礎： 愛因斯坦的光子學說(1905)； 波粒二象性(1909) 輻射理論(1917)：提出了受激輻射的概念，預測到光可以產(chǎn)生受激輻射放大。,Einstein,41,梅曼和第一只激光器,紅寶石激光器,42,常用激光器由三部分組成：,工作物質 泵浦源 光學諧振腔,激光,激光器結構示意圖,1.激光器的結構,43,2.激光器的分類,44,固體激光器,45,氣體激光器,46,液體激光器,47,半導體激光器,48,自由電子激光器,49,（1）方向性好,激光束的發(fā)散角很小，一般為,激光定位、導向、測距等就利用了方向性好的特點。,3. 激光的特性及應用,（2）單色性好,計量工作的標準光源、激光通訊等利用了單色性好的特點。,光纜,50,(3)亮度高,亮度是光源在單位面積上，向某一方向的單 位立體角內(nèi)發(fā)射的功率。,激光的輸出功率雖然有個限 度，但由于其光束細（發(fā)散特別 ?。β拭芏忍貏e大，因而其 亮度也特別大。把分散在180 范圍內(nèi)的光集中到0.18 范圍，亮度提高100萬倍。通過調Q等技術，壓縮脈沖寬度，還可以進一步提高亮度。,51,(4)相干性好,激光具有很好的相干性。,普通光源的相干長度約為1毫米至幾十厘米， 激光可達幾十公里。,全息照相、全息 存儲等就利用了相干 性好的特點。,全息照相,52,激光的應用：,53,54,應用實例：,55,56,光盤存儲器原理激光刻蝕與讀出,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 核聚變,61,激光測距與激光雷達,62,63,64,65,66,激光動力火箭,67,4.激光器原理,受激輻射光放大,68,高能級,低能級,原子數(shù)按能級分布 熱平衡時，單位體積內(nèi)處于各個能級上的原子數(shù)分布,69,受激吸收 自發(fā)發(fā)射 受激發(fā)射,光與物質相互作用,70,71,B21 (21)= B12 (21),躍遷概率相等:,受激吸收,受激發(fā)射,同時存在,72,73,實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布的條件,電激勵,化學激勵,熱激勵,光激勵,1) 激勵(又稱泵浦),介質對光的增益作用,74,光激勵用光照射工作物質，工作物質吸收光能后產(chǎn)生粒子數(shù)反轉，可采用高效率、高強度的發(fā)光燈、太陽能和激光 放電激勵在放電過程中，氣體分子（或原子，離子）與被電場加速的電子碰撞，吸收電子能量后躍遷到高能級，形成粒子數(shù)反轉 熱能激勵用高溫加熱方式使高能級上氣體粒子數(shù)增加，然后突然降低氣體溫度，因高、低能級的熱馳豫時間不同，可使粒子數(shù)反轉 化學能激勵利用化學反應過程中釋放的能量來激勵粒子，建立粒子數(shù)反轉。為產(chǎn)生化學反應，一般還需采用一定的引發(fā)措施，如采用光引發(fā)、電引發(fā)、化學引發(fā)等方式,75,2) 合適的能級結構,二能級系統(tǒng) 用光泵浦的方法不可能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布,76,三能級系統(tǒng),77,四能級系統(tǒng) 比三能級系統(tǒng)容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布。,78,1）紅寶石激光器的工作物質：紅寶石 是摻有少量鉻離子（Cr3+)的（Al2O3)晶體。,采用光激勵方法： 受激和發(fā)光都在Cr3+上進行，是典型的三能級系統(tǒng)。,5.典型激光器,79,80,81,常用固體激光器：,82,2） 氦氖氣體激光器是四能級系統(tǒng),共振轉移,83,放電管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）氣體，當電極加上高電壓后，毛細管中的氣體開始放電使氖原子受激，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉，產(chǎn)生激光躍遷的是Ne氣，He是輔助氣體，用以提高Ne原子的泵浦速率 最強的譜線有三條：0.6328m（紅色）、3.39m和1.15m ，常用的為0.6328m 四能級系統(tǒng),84,85,3) 二氧化碳激光器,工作物質：CO2、N2和He的混合物 激光波長：10.6微米、9.6微米（遠紅外光） （利用基態(tài)的不同振動態(tài)的轉動能級之間的躍遷，故光子能量小） 特點：激光器效率高、輸出能量大、功率高。,四能級、電激勵,86,87,4）染料激光器,有機化合物液體（染料）激光器，簡稱染料激光器 染料激光器：若丹明6G、隱花青，豆花素 特點：激光波長可調諧且調諧范圍寬廣、可產(chǎn)生極短的超短脈沖（3fs）、可獲得窄的譜線寬度 廣泛應用到光生物學、光譜學、光化學同位素分離、全息照像等技術中，研究物質的瞬態(tài)變化過程及微觀動力學。,88,主要采用光泵浦，即用短脈沖寬度的閃光燈泵浦或其它激光器泵浦,89,90,四能級,91,92,5）半導體激光器,半導體激光器以半導體為工作物質，常用材料有GaAs（砷化鎵）、InP等。具有小型、高效率、結構簡單、價格便宜等優(yōu)點，在光纖通信、激光唱片、光盤、數(shù)顯、準直等領域得到廣泛應用。,半導體激光器又稱為半導體激光二極管，或簡稱激光二極管，英文縮寫為LD (Laser Diode)，是實用中最重要的一類激光器 。,93,利用半導體中載流子（電子或空穴）在導帶和價帶之間的受激躍遷而實現(xiàn)受激輻射光放大。（半導體中的電流是電子和空穴的移動而形成的，稱為載流子。）,94,95,6）自由電子激光器,96,6. 介質的增益作用,97,一對反射鏡為端面的腔體稱為諧振腔。,7. 光學諧振腔的作用,98,振蕩模式 是指能夠在諧振腔內(nèi)存在的穩(wěn)定的光波基本形式，用TEMmnq表示。,m和n表征該模式在垂直于腔軸內(nèi)形成駐波的節(jié)點數(shù),稱橫模數(shù)。,q表示該模式在光腔軸的平面內(nèi)形成的節(jié)點數(shù)，稱縱模數(shù)。,1.縱模 能引起振蕩的頻率關系 2.橫模 光場在橫向不同的穩(wěn)定分布。,99,橫模,100,101,8.激光形成的閾值條件,光在諧振腔內(nèi)受到各種損耗: (1) 反射鏡的透射損耗 (2) 諧振腔的內(nèi)部損耗,內(nèi),102,由以上討論可將激光工作原理總結如下：,(1) 工作物質在激勵能源激勵下實現(xiàn)粒子 數(shù)反轉 (2) 由自發(fā)輻射產(chǎn)生的少數(shù)沿腔軸方向傳 播的光子在工作物質中引起受激輻射 (3) 光學諧振腔使受激輻射的光子在腔內(nèi) 往返振蕩，不斷得到放大 (4) 滿足閾值條件下形成激光,