《光谱的线宽和线形》PPT课件

光谱的线宽和线型,自由讨论：1，有那些函数分布，分别代表什么过程？2，影响光吸收的物理因素有哪些?3，光和原子相互作用有哪些过程？4，原子原子碰撞过程中，有哪些相互作用？5，光强对原子吸收的影响？,内容：1，自然线宽2，Doppler加宽3，碰撞加宽4，渡越加宽5，饱和加宽,线宽半高全宽(FWHM,FullWidthatHalfMaximum)=半高宽=半宽(halfwidth)=线宽(linewidth)。谱线宽度来源自然、多普勒、碰撞、渡越，饱和等线型g()线核线翼,线核,一、辐射谱线自然线宽激发态的原子用一个经典阻尼谐振子描写：,第3.1节自然线宽,FourierTransfer,NormalizedLorentzian,可忽略,Relationbetweenlinewidth,decayrate,andlifetime:,Ifconsideringthegroundstate:,Naturallinewidth,Energyuncertainty,SpontaneousemissionEnergyuncertainty(lifetime),一些跃迁谱线的自然线宽,一、吸收线性,OscillatorwithdrivenforceqE,宏观极化子：,Lightspeedinmedium,Relativepermittivity,相对介电常数,相对磁化率,Imaginaryisabsorption,Realisdispersion,phasevelocity,Kramers-Kronigrelation,Effectivewavevector,第3.2节Doppler线宽,相向运动时观察者感觉辐射场频率升高，反向时感觉频率降低,原子吸收观察者动辐射源不动,原子发射观察者不动辐射源动,(原子感受到的光频率)(共振条件0=),原子实际吸收的光频aL,原子谱线的一级(线性)Doppler频移,一、Doppler效应(一级),Maxwellianvelocitydistribution,ConsideringDopplerfrequencyshift(Dopplerbroadeneddistribution,Gussiandistribution),Halfwidth,Mmolemass/atomnumber(kg),MaxwellDistribution,Hot,Cold,Tsmall,Tlarge,“Hot”vs.“Cold”,速率vs速度,Doppler线宽计算举例,四、Lorentz线型与Gauss线型的比较,Lorentz线宽(FWHM):n=Ai=1/in=n/2一般情况n=(1/I+1/k),Dopplershift,Naturalprofile,Center:G+LWing:L,五、Voigt线型,(Lorentz线型与Gauss线型的卷积)实际观察到的谱线线型一般都是Viogt线型，通过反卷积分析得到L(-0)和G(-0),原子吸收和发射线性，同时受自发辐射和速度影响,第3.3节碰撞加宽,R(A,B)碰撞伙伴(对)A-B质心间距碰撞频移，可正可负(取决于势能曲线/面)2Rc碰撞直径c=Rc/v=2ps(1nm/500ms-1)碰撞时间(弹性),碰撞产生频移与加宽的原因：内能差来自碰撞平动能，非碰撞产生改变体系内态,绝热近似、B-O近似原子核重排(碰撞、化学反应)过程中，电子的电荷分布/跃迁(fs)可实时快速地调整(垂直跃迁),两体碰撞,辐射,B粒子数,吸收,测量I(,T)T关系，可独立得到基态Vi(R)的信息：,碰撞后辐射谱线产生加宽与移动：,温度,内态发生变化,Lennard-Jones(12-6)势：诱导偶极矩-诱导偶极矩之间相互作用Coulomb势：两带电粒子之间相互作用,关于V(R),正频移,碰撞频移来自碰撞对的动能转换,动能减少,负频移,动能增加,非弹性碰撞：导致（A,B)内态发生变化，例如A原子激发态Ei的淬灭消激发的淬灭过程与自发辐射一样减少发光的激发态原子的布居数（淬灭碰撞）非弹性碰撞导致加宽正比于压力（压力加宽）但不产生频移弹性碰撞：不改变（A,B)的内态，但引起频移扰相碰撞,气压,振子频率变化,振子相位变化,碰撞时间,Li,弹性碰撞既导致加宽又产生频移：,频移碰撞截面,展宽碰撞截面,碰撞频移,碰撞加宽,频移碰撞截面,加宽碰撞截面,弹性碰撞：,相互作用势与线移、线宽的关系,相移可正（CiCk）可负（Ci碰撞平均时间。频繁的弹性碰撞使得寿命内平均速度分量变小，因而Doppler频移变小。如果平均自由程跃迁波长，且Doppler加宽大于压力加宽时，出现谱线变窄。,缓冲气体碰撞也导致扩散速率增加，因而相互作用时间增长，渡越加宽相对减小另一类碰撞窄化（如：气泡Rb钟）,谱线的碰撞窄化,第3.4节渡越加宽,加宽的原因：相互作用时间T自由光谱程/平均速度）非均匀功率加宽（光谱烧孔）固体与液体中不均匀环境杂质原子辐射谱线的加宽,第3.6节饱和与功率加宽,加宽的原因：光泵功率远大于弛豫速率，引起上能级粒子数布居的饱和物理模型1：二能级原子(g1=g2=1)稳态速率方程,漂白（无吸收）：s,N0,0,无光泵的吸收系数,频率依赖饱和参数,中心频率饱和参数,无饱和效应,有饱和效应,饱和光强：其增益为弱光条件下的1/2S=1,1D,物理模型2：二能级原子与辐射场的稳态相互作用半经典理论（单原子，均匀加宽）,饱和参数,激发态的Rabi能级分裂VS饱和增宽比较,两峰,单峰,漂白vs强场驱动区