原子分子光谱-第七-八次.ppt

1,原子分子光谱 郭福明 原子与分子物理研究所 2,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,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,不透光宽度,2) . 光栅常数d, 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,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）。,8,3). 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,结论：,9,二. 多缝干涉,1). 五缝干涉例子,主极大角位置条件,k 称为主极大级数,相邻两缝在 P点引起的光振动相位差为,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,10,对N 缝干涉两主极大间有N - 1个极小， N - 2 个次极大。,衍射屏上总能量,主极大的强度,由能量守恒，主极大的宽度,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,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, 光栅方程,多缝干涉主极大光强受单缝衍射光强调制，使得主极大光强大小不同，在单缝衍射光强极小处的主极大缺级。,缺级条件,如,缺级,缺级,缺级条件分析,三. 衍射和缝间干涉的共同结果,21,22,23,24,单缝衍射和缝间干涉的共同结果,几种缝的光栅衍射,25,斜入射的光栅方程,主极大条件,k = 0, 1, 2, 3,缺级条件,最多明条纹数,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,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) 垂直入射和斜入射相比，缺级级次相同。,上题中垂直入射级数,斜入射级数,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,29,设两波长1 和2 = 1+ 在第k 级刚好能被光栅分辨，则有,当,( 光栅的色分辨本领 ),由(1) 、(2) 得,其中,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,平面式光栅的零级谱无色散。但该级却具有最大的能量。 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。 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。 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。 闪耀光栅具有这种能力。,31,32,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。,33,k=0,k=0,34,k=0,k=0,35,36,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）,G1,G2,球面闪耀光栅G1,光谱仪,单色仪,39,激光,LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,40,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。,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,1.激光器的结构,43,2.激光器的分类,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,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）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,激光测距与激光雷达,62,63,64,65,66,激光动力火箭,67,4.激光器原理,受激辐射光放大,68,高能级,低能级,原子数按能级分布 热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布,69,受激吸收 自发发射 受激发射,光与物质相互作用,70,71,B21 (21)= B12 (21),跃迁概率相等:,受激吸收,受激发射,同时存在,72,73,实现粒子数反转分布的条件,电激励,化学激励,热激励,光激励,1) 激励(又称泵浦),介质对光的增益作用,74,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 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，形成粒子数反转 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 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,75,2) 合适的能级结构,二能级系统 用光泵浦的方法不可能实现粒子数反转分布,76,三能级系统,77,四能级系统 比三能级系统容易实现粒子数反转分布。,78,1）红宝石激光器的工作物质：红宝石 是掺有少量铬离子（Cr3+)的（Al2O3)晶体。,采用光激励方法： 受激和发光都在Cr3+上进行，是典型的三能级系统。,5.典型激光器,79,80,81,常用固体激光器：,82,2） 氦氖气体激光器是四能级系统,共振转移,83,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 最强的谱线有三条：0.6328m（红色）、3.39m和1.15m ，常用的为0.6328m 四能级系统,84,85,3) 二氧化碳激光器,工作物质：CO2、N2和He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,有机化合物液体（染料）激光器，简称染料激光器 染料激光器：若丹明6G、隐花青，豆花素 特点：激光波长可调谐且调谐范围宽广、可产生极短的超短脉冲（3fs）、可获得窄的谱线宽度 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,半导体激光器以半导体为工作物质，常用材料有GaAs（砷化镓）、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。（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,96,6. 介质的增益作用,97,一对反射镜为端面的腔体称为谐振腔。,7. 光学谐振腔的作用,98,振荡模式 是指能够在谐振腔内存在的稳定的光波基本形式，用TEMmnq表示。,m和n表征该模式在垂直于腔轴内形成驻波的节点数,称横模数。,q表示该模式在光腔轴的平面内形成的节点数，称纵模数。,1.纵模 能引起振荡的频率关系 2.横模 光场在横向不同的稳定分布。,99,横模,100,101,8.激光形成的阈值条件,光在谐振腔内受到各种损耗: (1) 反射镜的透射损耗 (2) 谐振腔的内部损耗,内,102,由以上讨论可将激光工作原理总结如下：,(1) 工作物质在激励能源激励下实现粒子 数反转 (2) 由自发辐射产生的少数沿腔轴方向传 播的光子在工作物质中引起受激辐射 (3) 光学谐振腔使受激辐射的光子在腔内 往返振荡，不断得到放大 (4) 满足阈值条件下形成激光,