無多普勒展寬光譜技術(shù)

1、第七章 無多普勒展寬光譜技術(shù),第一節(jié) 飽和吸收光譜技術(shù),飽和吸收是無多普勒展寬光譜技術(shù)的基礎(chǔ),靜止、孤立的受激原子的輻射線型為,原子以速度u運(yùn)動(dòng)時(shí)的輻射線型為,多普勒頻移,考慮一入射光束與處于熱運(yùn)動(dòng)的N個(gè)二能級(jí)原子間的相互作用，設(shè)頻率為的單色光沿z方向通過樣品池，原子吸收入射光后從基態(tài)1躍遷到激發(fā)態(tài)2,原子的吸收線型,能級(jí)1上的粒子數(shù)變化為,對(duì)于穩(wěn)態(tài)情況，可解得,對(duì)于氣體，熱平衡時(shí)，速度分量在uz-uz+duz間的第i能級(jí)上的分子數(shù)為,最可幾速度,式中S=B12/R為受激吸收率與馳豫率之比，飽和參數(shù),在頻率為的單色光作用下，在N1(uz)的分布曲線上，有一個(gè)以(-0) /k為中心的“燒孔”貝納

2、特(Bennet)孔，孔的半寬度為 ，0為自然線寬，N2(uz)上有一對(duì)應(yīng)的凸峰,飽和吸收無多普勒光譜就是通過測量布居數(shù)速度分布曲線上的貝納特孔來實(shí)現(xiàn)的,考察吸收系數(shù),對(duì)uz積分得,多普勒線型內(nèi)處處都下降一個(gè)因子 ，并且與頻率無關(guān)。這說明如果用一束可調(diào)諧激光，使其掃過原子的吸收區(qū)，則發(fā)現(xiàn)不了有貝納恃孔存在,可采用兩束激光通常將一束波稱為泵浦光，另一束為探測光對(duì)稀薄氣體介質(zhì)，可以通過一個(gè)簡單方法來獲得這兩束激光，即在樣品池的一端放置一反射鏡，將入射進(jìn)樣品池的光作為泵浦光，通過樣品池后從反射鏡反射回的稱為探測光.設(shè)泵浦光為,從反射鏡反射回的探測光強(qiáng)度近似與入射光相等，即,兩孔將在 處合并,物理含義

3、：兩束光波與 的同一群原子相互作用，光對(duì) 的消耗也將大于 的消耗，在吸收曲線 上出現(xiàn)一個(gè)吸收系數(shù)減小的凹陷區(qū)。 - 無多普勒(Doppler-free)凹陷,貝納特孔,拉姆凹陷,吸收系數(shù),譜線中心有一個(gè)小的拉姆凹陷,2 飽和吸收光譜測量的注意事項(xiàng),1)必須采用窄線寬的單模穩(wěn)頻激光器做激勵(lì)光源，才能分辨飽和拉姆凹陷,2)激光形有足夠的功率，以便在樣品中產(chǎn)生飽和效應(yīng),3)泵浦激光束和探測激光束的交角要盡量小，甚至完全重合,4)可以采用對(duì)透射光強(qiáng)進(jìn)行探測，也可以對(duì)熒光光強(qiáng)進(jìn)行探測,5)采用過高的樣品氣壓會(huì)產(chǎn)生壓力增寬，使拉姆凹陷模糊,6)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測量信噪比要非常高，否則來自拉姆凹陷的信號(hào)會(huì)淹沒在噪

4、聲中,7）拉姆凹陷的深度與被測樣品分子的飽和光強(qiáng)參量有關(guān)，不同的被測對(duì)象飽和吸收光譜的測量難度很大不同,8）為了消除吸收語線的多普勒本底，可以采用各種調(diào)制技術(shù),3 飽和吸收光譜實(shí)驗(yàn)裝置,腔外式飽和吸收光譜裝置,激光線寬應(yīng)小于樣品的多普勒寬度，在可見光譜區(qū)，激光線寬應(yīng)在MHz以下； 對(duì)泵浦光束調(diào)制引起分子布居數(shù)變化 當(dāng)激光頻率接近被測譜線時(shí)，由于泵浦光的飽和作用，吸收系數(shù)將發(fā)生變化 。 光電檢測器檢測穿過樣品池后探測光強(qiáng)的變化，經(jīng)鎖相放大器處理，輸出無多普勒加寬的信號(hào),單模染料激光分成兩束等強(qiáng)度激光，它們以反向共線的方式通過樣品池,在樣品池的側(cè)面用透鏡L收集樣品分子發(fā)射的總熒光,強(qiáng)度內(nèi)調(diào)制飽和光

5、譜熒光測量裝置,兩束激光分別以不同的頻率斬波來調(diào)制它們的幅度,兩束調(diào)制的激光的強(qiáng)度,熒光光強(qiáng)與激發(fā)光強(qiáng)光強(qiáng)成正比,為吸收態(tài)的飽和布居密度，中心處,鎖相放大器以f1f2為參考頻率進(jìn)行鎖相放大，便可以將頻率為f1和f2的線性多普勒背景抑制，提取出頻率為f1f2的無多普勒飽和信號(hào),第二節(jié) 雙光子無多普勒光譜學(xué),1、基本原理,光子動(dòng)量P與頻率和傳播方向n（或波矢k)關(guān)系,頻率相同但傳播方向不同的兩束光具有不同的動(dòng)量，兩束傳播方向相反的光，它們的動(dòng)量絕對(duì)值相同但方向是相反的,譜線多普勒展寬本質(zhì)上就是運(yùn)動(dòng)速度不同的原子發(fā)射(或吸收)不同的光子動(dòng)量所引起的,原子吸收(或發(fā)射)的是無動(dòng)量的光子，譜線也就不會(huì)出

6、現(xiàn)多普勒展寬。這就是無多普勒展寬的雙光子吸收光譜學(xué)的基本思想,設(shè)有兩束光同時(shí)入射到樣品分子上,當(dāng)分子從兩列光波中各吸收一個(gè)光子而在能級(jí)ij間實(shí)現(xiàn)受激躍遷，則,如果分子以速度u 相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)，則在運(yùn)動(dòng)分子的參照系中，一個(gè)波矢為k，角頻率為的電磁場的多普勒頻移為,共振條件,設(shè)兩束激光的頻率相等，傳播方向相反，則多普勒頻移為零,通過檢測能級(jí)j所發(fā)射的熒光來獲得雙光子吸收信號(hào),在飽和吸收光譜中，只有一小部分的分子對(duì)無多普勒窄共振有貢獻(xiàn)，而在雙光子吸收中，幾乎所有的原子都對(duì)信號(hào)作出了貢獻(xiàn)，這是雙光子吸收的優(yōu)勢之處,2、應(yīng)用舉例,鈉無多普勒雙光子吸收譜,測量鈉原子的超精細(xì)分裂,原子能級(jí)的超精細(xì)結(jié)

7、構(gòu)是由電子運(yùn)動(dòng)的磁場與核自旋磁場相互作用產(chǎn)生的,電子角動(dòng)量,核自旋角動(dòng)量,對(duì)鈉原子，I=3/2,反射鏡M樣品池中存在兩個(gè)方向的行波,F-P干涉儀用作波長定標(biāo),連續(xù)波染料激光，波長在602.23nm 附近掃描,第三節(jié) 線性無多普勒光譜技術(shù),一、 量子拍頻光譜技術(shù),當(dāng)激發(fā)原子通過自發(fā)發(fā)射從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時(shí)，激發(fā)態(tài)的布居數(shù)因自發(fā)發(fā)射而隨時(shí)間減少，熒光發(fā)射的強(qiáng)度隨時(shí)間指數(shù)減小,如果原子所處的激發(fā)態(tài)是兩個(gè)或數(shù)個(gè)相互靠得很近的能級(jí)，則原子所發(fā)射的熒光在其強(qiáng)度隨時(shí)間衰減的同時(shí)還出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象這種熒光強(qiáng)度的調(diào)制現(xiàn)象稱為量子拍頻,量子柏頻的調(diào)制頻率決定于兩激發(fā)能級(jí)的間距，遠(yuǎn)小于光學(xué)躍遷頻率，基本上不受多普勒展寬影

8、響，量子拍頻光譜技術(shù)也是無多普勒展寬光譜技術(shù),激發(fā)態(tài)波函數(shù)是兩個(gè)態(tài)的混合,激光脈寬 滿足,布居數(shù)以常數(shù) 的速率衰減,時(shí)間相關(guān)的熒光信號(hào),發(fā)射光的極化方向,設(shè)兩能級(jí)衰減速率相同,指數(shù)衰減： 疊加上振蕩,這是兩個(gè)相干能級(jí)的時(shí)間相關(guān)波函數(shù)間的干涉，稱量子拍頻,對(duì)拍頻譜做傅里葉變換，可得到頻率譜，即能級(jí)間隔和衰減速率（能級(jí)寬度,實(shí)驗(yàn)測量,銫原子 的核超精細(xì)態(tài)的量子拍頻（,一般染料激光的脈沖寬度5ns，可以用于能級(jí)間隔的 量子拍頻實(shí)驗(yàn),當(dāng)激發(fā)光源采用平面偏振光時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)檢測器的接收偏振器，可以接收偏振平行或垂直于激發(fā)光的熒光強(qiáng)度,超聲噴流塞曼超精細(xì)量子拍頻實(shí)驗(yàn)裝置,分子的量子拍頻光譜,二、 能級(jí)交叉光譜技

9、術(shù),1漢勒效應(yīng)與能級(jí)交叉,1922年，瑞利在一個(gè)共振熒光的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，用偏振光激發(fā)的原子所發(fā)射的熒光是偏振的 1923年漢勒(Hanle)實(shí)驗(yàn)證明，外加磁場可以使原子發(fā)射的熒光偏振退化漢勒效應(yīng),汞蒸汽的共振熒光實(shí)驗(yàn),檢測不到信號(hào),檢測到信號(hào),0.5mT變化到+0.5mT,以檢偏器的透射軸的取向（夾角a）不同,5-10mT時(shí)的完全退偏振,塞曼效應(yīng)：磁場中原子的能級(jí)會(huì)產(chǎn)生分裂,漢勒效應(yīng)發(fā)生在能級(jí)交叉處,上例中，磁場B = 0是能級(jí)的交叉點(diǎn),也可以在 的磁場中發(fā)生交叉,2 能級(jí)交叉信號(hào)的分析,受激電子將在入射光的偏振所確定方向上以角頻率振動(dòng),振動(dòng)電子將發(fā)射偶極輻射場,z方向上加上磁場以后，振動(dòng)電子受到一洛侖茲力，振動(dòng)平面繞著場的方向以拉莫頻率進(jìn)動(dòng),與檢偏器的透射軸成角時(shí)光電檢測器所接收到的光強(qiáng)為,第二項(xiàng)消失，色散線型,檢偏器在y或x方向，信號(hào)呈洛侖茲線型,信號(hào)半寬度,三、 光學(xué)-微波雙共振技術(shù),與光學(xué)光學(xué)耦合雙共振(OODR)一樣，微波(或射頻)光學(xué)共振也是一個(gè)分子體系同時(shí)和兩個(gè)單色電磁場的相互作用;與OODR不同的地方是，在微波光學(xué)雙共振(MODR)中，兩個(gè)光子的能量差別很大，一個(gè)是微波(或射頻)的光子，另一個(gè)是光學(xué)頻段光子，正是這一點(diǎn)，使MODR技術(shù)成為一種無多普勒光譜技術(shù),1基本方法,汞原子MODR實(shí)驗(yàn),在與B0相垂直的方向上加上射頻場B1，B1場將產(chǎn)生mj1躍遷,采用測量