原子分子光谱第七次

1、1郭福明原子与分子物理研究所 ,135144124632储存环示意图储存环示意图插入件：产生各类插入件：产生各类不同特征的同步辐射不同特征的同步辐射同步加速腔：加速同步加速腔：加速电子，并补充同步电子，并补充同步辐射损失的能量辐射损失的能量真空室：减少因残留气体真空室：减少因残留气体碰撞而损失光束线能量碰撞而损失光束线能量四极磁铁：以透镜四极磁铁：以透镜机制聚焦光束线机制聚焦光束线弯转磁铁弯转磁铁：使束流轨使束流轨道转弯，产生同步辐射道转弯，产生同步辐射同步辐射同步辐射回顾3回顾41. 1. 辐射光的波长连续可调、辐射光的波长连续可调、范围宽范围宽；2. 2. 亮度高亮度高；3. 3. 准直性

2、好；准直性好；4. 4. 单色性好单色性好；5. 5. 偏振光；偏振光；6. 6. 有特定的时间结构；有特定的时间结构；7. 7. 稳定。稳定。8.8.多用户多用户同步辐射特性：同步辐射特性：回顾5入射狭缝入射狭缝准直镜准直镜物镜物镜棱镜棱镜焦面焦面出射狭缝出射狭缝f分光系统分光系统 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：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6一一. 衍射光栅衍射光栅1). 光栅光栅反射光栅反射光栅透射光栅透射光栅透光宽度透光宽度不透光宽度不透光宽度2) . 光栅常数光栅常数d badab 大量等宽等间距

3、的平行狭缝大量等宽等间距的平行狭缝( (或反射面或反射面) )构成的光学元件构成的光学元件光栅宽度为光栅宽度为 l ，每毫米缝数每毫米缝数为为 m ，则，则总缝数总缝数lmN2.2.光栅光栅7光栅制作：光栅制作： 以特殊的工具（如钻石），在硬质、磨光的光以特殊的工具（如钻石），在硬质、磨光的光 学平面上刻出大量学平面上刻出大量紧密而平行的刻槽紧密而平行的刻槽。以此为。以此为 母板，可用液态树脂在其上复制出光栅。制作母板，可用液态树脂在其上复制出光栅。制作 的光栅有的光栅有平面透射光栅平面透射光栅、平面反射光栅平面反射光栅及及凹面凹面 反射光栅反射光栅。 通常的刻线数为通常的刻线数为300-20

4、00刻槽刻槽/mm。最常用的是。最常用的是 1200-1400刻槽刻槽/mm（紫外可见）及（紫外可见）及100-200刻刻 槽槽/mm（红外）。（红外）。 8x2sdP1soaad3f3). 光栅衍射的基本特点光栅衍射的基本特点屏上的强度为单缝衍射和缝间屏上的强度为单缝衍射和缝间干涉的共同结果。干涉的共同结果。以二缝光栅为例以二缝光栅为例x结论结论：1 01k10II2 2只考虑单缝衍射强度分布只考虑单缝衍射强度分布只考虑双缝干涉强度分布只考虑双缝干涉强度分布双缝光栅强度分布双缝光栅强度分布1 01k10II303k660II19 sind二二. 多缝干涉多缝干涉1). 五五缝干涉例子缝干涉例

5、子kdsinl 主极大角位置条件主极大角位置条件, 2 , 1 , 0kk 称为主极大级数称为主极大级数2sin2 kdAAA5IAI225相邻两缝在相邻两缝在 P点点引起引起的光振动相位差为的光振动相位差为l 主极大强度主极大强度为主极条件下单缝在为主极条件下单缝在 P 点引起光振动矢量的振幅点引起光振动矢量的振幅Pba LfoA10对对N 缝干涉两主极大间缝干涉两主极大间有有N - - 1个个极小，极小， N - - 2 个次极大。个次极大。1 m0 m1 m081 II1 m0 m1 m04 II2N5N9N衍射屏上总能量衍射屏上总能量NE 主极大的强度主极大的强度2NI 由能量守恒，主

6、极大的由能量守恒，主极大的宽度宽度N1随着随着N 的增大，主极的增大，主极大变得更为尖锐大变得更为尖锐，且，且主极大间为暗背景主极大间为暗背景2). N 缝干涉缝干涉1 m0 m1 m025 II缝干涉强度分布缝干涉强度分布缝干涉强度分布缝干涉强度分布缝干涉强度分布缝干涉强度分布11缝间干涉主极大就是光栅衍射主极大，其位置满足缝间干涉主极大就是光栅衍射主极大，其位置满足kdsin, 3 , 2 , 1 , 0k 光栅方程光栅方程 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强大小不同，在单缝衍射光强极小处

7、的主极大主极大缺级。缺级。kasindkaksinadkk2ad23ad6, 4, 2k9, 6, 3k缺级条件缺级条件如如缺级缺级缺级缺级缺级条件分析缺级条件分析, 3 , 2 , 1 kkdsin三三. . 衍射和缝间干涉的共同结果衍射和缝间干涉的共同结果12d=3aN=4(sinN/sin)2I0(sinu/u)2u=asin/13N=6,d=5a14N=20,d=3a15单缝衍射和缝间干涉的共同结果1 N20 N6 N5 N3 N2 N几种缝的光栅衍射几种缝的光栅衍射16五五. 斜入射的光栅方程斜入射的光栅方程kd)sin(sin主极大条件主极大条件k = 0, 1, 2, 3N缺级条

8、件缺级条件)sin(sinkakd)sin(sin最多明条纹数最多明条纹数)22()sin2(sinmaxdk)sin2 (sin max-dk1maxmaxkkNAB aNsin) 1(sin) 1(aN p17一束波长为一束波长为 480 nm 的单色平行光，照射在每毫米内有的单色平行光，照射在每毫米内有600条刻痕的平面透射光栅上。条刻痕的平面透射光栅上。求求 (1) 光线垂直入射时，最多能看到第几级光谱？光线垂直入射时，最多能看到第几级光谱？(2) 光线以光线以 30o入射角入射时，最多能看到第几级光谱？入射角入射时，最多能看到第几级光谱？例例kdsinm 106110600153dd

9、kmax3108 . 461075解解 (1)当当 = -90o 时时当当 = 90o 时时kd)03sin(sino5maxk1maxk(2)18(2) 斜入射时，可得到更高级次的光谱，提高分辨率。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斜入射级次分布不对称(3) 垂直入射和斜入射相比，垂直入射和斜入射相比，完整级次数不变。完整级次数不变。(4) 垂直入射和斜入射相比，垂直入射和斜入射相比，缺级级次相同。缺级级次相同。kd)sin(sin)sin(sinkaadkk, 3 , 2 , 1 k上题中垂直入射级数上题中垂直入射级数3 , 2 , 1 , 0 , 1

10、, 2, 3k斜入射级数斜入射级数5 , 4 , 3 , 2 , 1 , 0 , 1k说明说明19四四. 光栅光谱及分辨本领光栅光谱及分辨本领1). 光栅光谱光栅光谱0级级1级级2级级-2级级-1级级3级级-3级级白光的光栅光谱白光的光栅光谱2). 光栅的色分辨本领光栅的色分辨本领( 将波长相差很小的两个波长将波长相差很小的两个波长 和和 + 分开的能力分开的能力 )色谱仪的色分辨率色谱仪的色分辨率R20设两波长设两波长 1 和和 2 = 1+ 在第在第k 级刚好能被光栅分辨，则有级刚好能被光栅分辨，则有1, 1sinkdk2, 2sinkdk(1), 2, 1, 1coskdkk当当 kNR

11、( 光栅的色分辨本领光栅的色分辨本领 )由由(1) 、(2) 得得kkk, 1, 2, 2, 1其中其中k , 1根据瑞利判据：根据瑞利判据：kk, 1, 2, 1(2) cos, 1, 1kkNd时刚能时刚能分辨分辨为波长为波长 1第第k 级主极大半角宽度，且级主极大半角宽度，且光栅的色分辨率光栅的色分辨率讨论讨论增大主极大级次增大主极大级次 k 和总缝数和总缝数 N ，可提高光栅的分辨率。，可提高光栅的分辨率。21五.闪耀光栅 n平面式光栅的零级谱无色散。但该级却具有最大的能量。n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。n对于平面光栅，单元衍

12、射零级的位置与缝间干涉零级的位置恰好是重合的。n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。n闪耀光栅具有这种能力。22平面反射光栅（闪耀光栅，小阶梯光栅）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，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

13、= = 时，在衍射角时，在衍射角 方向可获得最大的光强，方向可获得最大的光强， 也称为闪耀角。也称为闪耀角。 如下图所示。如下图所示。 A AB BC CD Dd d 1P P0 0距离距离相对强度相对强度P P1 123-6-4-20246 -6-4-20246 k=0k=024-6-4-20246 k=0k=02526光光栅栅参参数数 常规闪耀光栅常规闪耀光栅 中阶梯光栅中阶梯光栅 焦距焦距，f 0.5 m 0.5 m 刻槽密度刻槽密度 1200/mm 79/mm 衍射角，衍射角， 10o22 63o26 级次，级次，n 1 75 分辨率分辨率(300nm)，R 62,400 763,00

14、0 倒线色散率，倒线色散率，d /dl 16 埃埃/mm 1.5 埃埃/mm 聚光本领聚光本领 f/9.8 f/8.8 小阶梯光栅与中阶梯光栅的性能比较小阶梯光栅与中阶梯光栅的性能比较 27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。28球面闪耀光栅G2探测器引出单色光双光栅光谱仪（单色仪）G1G2球面闪耀光栅G1光谱仪单色仪29LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation30梅曼和第一只激光器梅曼和第一只激光器红宝石激光器31常用激光器

15、由三部分组成：常用激光器由三部分组成： 工作物质工作物质 泵浦源泵浦源 光学谐振腔光学谐振腔激光激光激光器结构示意图激光器结构示意图全反镜半反镜增益介质泵浦灯1.激光器的结构32按输出方式分：按输出方式分：脉冲输出脉冲输出连续输出连续输出按工作物质分按工作物质分 ：半导体激光器半导体激光器气体激光器气体激光器固体激光器固体激光器液体激光器液体激光器自由电子激光器自由电子激光器2.激光器的分类按输出波长分：按输出波长分：紫外和真空紫外激光器紫外和真空紫外激光器红外和远红外激光器红外和远红外激光器可见光激光器可见光激光器X射线激光器射线激光器33固体激光器固体激光器34气体激光器气体激光器35液体

16、激光器液体激光器36半导体激光器半导体激光器37自由电子激光器自由电子激光器38（1 1）方向性好）方向性好 激光束的发散角很小，一般激光束的发散角很小，一般为为sr101085 激光定位、导向、测距等激光定位、导向、测距等就利用了方向性好的特点。就利用了方向性好的特点。3. 激光的特性及应用（2 2）单色性好）单色性好 计量工作的标准光源、计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性激光通讯等利用了单色性好的特点。好的特点。光缆光缆39(3)(3)亮度高亮度高 亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单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。位立体角内发射的功率。 激光的输出功

17、率虽然有个限激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细（发散特别度，但由于其光束细（发散特别小），功率密度特别大，因而其小），功率密度特别大，因而其亮度也特别大。把分散在亮度也特别大。把分散在180180范围内的光集中到范围内的光集中到0.18 0.18 范围，范围，亮度提高亮度提高100100万倍。通过调万倍。通过调Q Q等技等技术，压缩脉冲宽度，还可以进一术，压缩脉冲宽度，还可以进一步提高亮度。步提高亮度。40(4)(4)相干性好相干性好激光具有很好的相干性。激光具有很好的相干性。 普通光源的相干长度约为普通光源的相干长度约为1 1毫米至几十厘米，毫米至几十厘米，激光可达几十公里。激光可达

18、几十公里。 全息照相、全息全息照相、全息存储等就利用了相干存储等就利用了相干性好的特点。性好的特点。全息照相全息照相41激光的应用：激光的应用：4243应用实例：应用实例：4445激光打孔激光打孔激光切割激光切割46低能激光武器低能激光武器高能激光武器高能激光武器474849505152激光动力火箭53EiEnniEE 受激发射受激辐射光放大54原子数按能级分布原子数按能级分布kTEEeNN)(1212ENE2E1N2N12N1N55光与物质相互作用光与物质相互作用EnEnEiinEE 受激吸收EiEnniEE 受激发射EiinEE 自发发射56受激吸收爱因斯坦系数低能级E1的粒子数密度受激吸收概率受激吸收概率: :光场的能量密度单位时间、单位体积单位时间、单位体积产生的光子数产生的光子数: :W21 = B21 ( 21) 受激辐射爱因斯坦系数5758为得到光放大为得到光放大,必须使必须使2N1N59介质对光的增益作用介质对光的增益作用E1E2泵浦60n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