光譜分析及其應用

-4-問：寫出各種躍遷需要的能量范圍。答：可以根據E=hγ=hc/λ這個公式計算躍遷能量，而∵（1）原子內層電子0.1nm-10nm（2）原子外層電子10nm-780nm（3）分子的電子躍遷0.06μm-1.25μm（3）分子的振動能級躍遷1.25μm-25μm（3）分子的轉動能級躍遷25μm-250μm∴（1）原子內層電子躍遷能量范圍1.2*102eV-1.2*104eV（2）原子外層電子躍遷能量范圍1.6eV-1.2*102eV（3）分子的電子躍遷能量范圍1.0eV-20.7eV（4）分子振動能級躍遷能量范圍5.0*10-2eV-1.0eV問：下列哪種躍遷不能發(fā)生，為什么？①31S0—31P1；②31S0—31D2；③32P2—33D3;④43S1—43P1；答：（1）②31S0—31D2和③32P2—33D3所示的躍遷不能發(fā)生。（2）②31S0—31D2的躍遷不能發(fā)生，是因為ΔJ≥2的過程是被禁止的，只有ΔJ=0或1或-1的躍遷，才有可能發(fā)生；③32P2—33D3的躍遷不能發(fā)生，是因為總自旋量子數變化ΔS=0該過程才會發(fā)生，現在ΔS=1這是在不同多重態(tài)間的躍遷，這種躍遷是被禁止的。問：簡述原子熒光光譜的產生及其類型。答：（1）當自由原子吸收了特征波長的輻射之后被激發(fā)到較高能態(tài)，接著又以輻射形式去活化，回到基態(tài)，就可以發(fā)射原子熒光。越大，譜帶強度越大。而偶極矩的變化程度與以下幾點有關:①原子的電負性。化學鍵兩端原子差別越大其伸縮振動引起的紅外吸收越強。②振動方式。相同基團的的各種振動由于振動方式不同分子的電荷分布也不同偶極矩變化也不同，通常反對稱伸縮振動比對稱伸縮振動的吸收強度大；伸縮振動比變形振動吸收強度大。③分子對稱性。基團的對稱性與結構的對稱性有關，對稱性越強，振動時偶極矩變化越小，吸收帶越弱。結構為中心對稱的分子，若其振動也以中性對稱則偶極矩變化為零，無紅外活性。④耦合相互作用。當兩個鍵振子共享一個原子時除非各個振蕩有很大的頻率差異，否則他們很少表現為各自獨立的振子，這是因為兩個振子之間有機耦合相互作用⑤其他因素，主要有：氫鍵的形成提高化學鍵的極化強度，使有關的吸收峰變寬變強；與極性基團共軛使吸收峰增強；費米共振，這使得基頻與倍頻強度重新分配。二、能級躍遷概率，躍遷概率越大，吸收峰越強。問：簡述激光的調Q技術和鎖模技術。答：（1）激光的調Q技術是為壓縮\o"激光器"激光器輸出脈沖寬度和提高脈沖峰值功率而采取的一種特殊技術；這種技術的基礎是一種特殊的關鍵元件──快速腔內光開關，一般稱為激光調Q開關,或簡稱為Q開關。共振腔的Q值大小，是由腔內損耗和反射鏡光學反饋能力兩個因素所決定的；Q值愈高,所需要的泵浦閾值就越低，亦即激光愈容易起振。在一般的脈沖固體激光器的情況下，若不采用特殊的技術措施，脈沖激光在腔內的振蕩持續(xù)時間，與光泵脈沖時間（毫秒量級左右）大致相同，因此輸出激光的脈沖功率水平亦總是有限的。如果采用一種特殊的技術，使光泵脈沖開始后相當長一段時間內，有意降低共振腔的Q值而不產生激光振蕩,則工作物質內的粒子數反轉程度會不斷通過光泵積累而增大；然后在某一特殊選定的時刻，突然快速增大共振腔的Q值,使腔內迅速發(fā)生激光振蕩，積累到較高程度的反轉粒子數能量會集中在很短的時間間隔內快速釋放出來，從而可獲得很窄脈沖寬度和高峰值功率的\o"激光"激光輸出。為實現以上目的，最常用的方法是在共振腔內引入一個快速光開關──Q開關,它在光泵脈沖開始后的一段時間內處于“關閉”或“低

Q”狀態(tài)，此時腔內不能形成振蕩而粒子數反轉不斷得到增強；在粒子數反轉程度達到最大時,腔內Q開關突然處于“接通”或“高Q”狀態(tài),從而在腔內形成瞬時的強激光振蕩,并產生所謂的調Q激光脈沖輸出到腔外。調

Q技術是高功率脈沖激光器的主要基礎技術之一；對常用的脈沖固體激光器來說，采用調Q技術后,輸出激光的脈沖時間寬度可壓縮到萬分之一，峰值功率可提高到千倍以上。（2）鎖模技術：指在激光器內不同振蕩縱模之間實現位相鎖定，以期獲得規(guī)則的超短脈沖序列的專門技術。在不采用特殊的附加技術的一般情況下，在激光工作物質增益線寬內往往會產生多個或大量縱模的同時振蕩（見激光限模技術附圖）。如果激光工作物質的增益帶寬主要是由自發(fā)輻射過程的非均勻增寬機制所決定，則上述多個不同縱模的振蕩可以彼此獨立地發(fā)生，它們相互之間的位相關系對時間來說是隨機變化的，彼此之間不能產生持續(xù)的相干作用;與此相應,輸出激光實際上是由一系列不規(guī)則的寬度較寬而高度較低的雜亂脈沖組合而成，這是由于大量頻率不同而位相關系隨機改變的電磁場“拍頻”作用的結果。如果通過采取某種特殊的方法，使得在共振腔內不同的振蕩縱模之間建立起確定的（“鎖定”的）相對位相關系，則它們之間的振蕩就不再是彼此無關的,而必然伴隨著一種多縱模間的相干作用效果。眾多縱模之間保持同步振蕩和彼此之間相互“干涉”作用的結果，導致輸出激光呈現為一系列規(guī)則的脈沖系列；該序列中每個單獨光脈沖的時間寬度，由維持同步振蕩的不同縱模的數目所決定，并且在數值上約等于相鄰縱模頻率間隔與上述振蕩縱模數相乘積倒數。由上面的說明可看出，為獲得盡可能窄的輸出激光脈沖寬度，采用具有較大增益帶寬的激光工作是有利的。為實現激光縱模之間的位相鎖定，可分別采用以下兩種方法：主動鎖模和被動鎖模。主動鎖模是在腔內置入適當的損耗調制元件（如聲光調制元件或電光調制元件）并使調制的頻率

正好等于由共振腔所決定的相鄰縱模頻率間隔＝/2（為光速，為腔長）。此情況下，按傅里葉分析原理,對某個指定的縱模而言，由于受頻率為

的幅度調制,其頻譜結構圖中的側邊帶正好與其相鄰的兩個其他縱模頻率位置相重合；這意味著通過調制側邊帶而使不同振蕩縱模之間發(fā)生能量耦合并進而形成同步振蕩或位相鎖定式的振蕩。被動鎖模技術：實驗研究表明，將可飽和吸收染料媒質置于激光共振腔技術內,不但可起到調開關（見技術'"class=link>激光調技術）的作用，而且在一定的條件下,他們亦可起到鎖模的作用；此時不需要外界附加的調制源，而是靠染料媒介本身與激光相互作用的固有特性，因此這種鎖模技術稱為被動鎖模技術。多個振蕩縱模