激光光谱技术94时间分辨光谱技术

第9章激光光谱技术9.1基本原理9.2提高光谱探测灵敏度的方法9.3高分辨亚多普勒光谱技术9.4时间分辨光谱技术9.4时间分辨光谱技术9.4.1超短激光脉冲的产生9.4.2超短激光脉冲的测量9.4.3寿命测量概述

高速摄影：捕捉人眼看不到的动作瞬间

时间分辨光谱：研究物理或化学的瞬态过程的光谱技术原子从激发态向下跃迁

时间单位（1）电子绕核运动周期，阿秒（2）能级跃迁时间，电子能级跃迁，约几十阿秒

飞秒光谱——诺贝尔奖1999年，AhmedH.Zewail由于利用飞秒光谱在实验上研究了化学反应的转移过程而获得诺贝尔化学奖。MarcosDantus,MarkJ.Rosker,andAhmedH.Zewail,Real-timefemtosecondprobingof“transitionstates”inchemicalreactions,JournalofChemicalPhysics,1987,87(4):2395.AhmedH.Zewail,Laserfemtochemistry,Science,1988,242:1645-1653.9.4.1超短激光脉冲的产生各种锁模技术主动锁模被动锁模自锁模同步泵浦碰撞锁模纵模：与谐振腔长度相关，描述激光波长（1）多模激光输出特性相邻纵模频率间隔

如果增益曲线足够宽，通常可包括多个纵模输出振幅：输出光强：相位差不恒定：相位差恒定：锁模——使相邻纵模的相位差恒定锁模后的脉冲宽度，腔越短，使用的模数越多，脉冲宽度越小锁模后峰值功率提高了2N+1倍锁模的一个例子非锁模锁模一种周期性调制谐振腔参量的方法，在谐振腔内插入一个调制器，使调制器的调制频率精确地等于纵模间隔

（2）主动锁模振幅调制，也称损耗调制相位调制，也称频率调制

振幅调制调制器产生的损耗(m<1)：纵模q调制后的振幅：产生两个新的频率，它们与原先纵模的相位差为0：

振幅调制（Cont.）如果调制器调制频率那么新产生的频率也为激光纵模，就可实现前述原理的锁模

相位调制调制相位为：纵模q调制后的振幅为：

相位调制（Cont.）(1)n<<1：(2)N较大时：

主动锁模注意事项要严格控制端面反射，防止标准具效应减少模数，破坏锁模效果调制器要放在腔内靠反射镜处，可得到最大的耦合效果，并且调制器在通光方向的尺寸应尽量小调制器的频率应严格调谐到c/2L，否则会使激光器工作超过锁模区而破坏锁模基于饱和吸收效应的一种锁模方式在谐振腔内插入饱和吸收染料池，染料池紧挨反射镜要求：(a)

染料的吸收波长与激光波长重合或接近

(b)染料吸收线宽大于或等于激光线宽

(c)驰豫时间要短于脉冲在腔内往返一周的时间（3）被动锁模

被动锁模的物理过程线性放大阶段自然选模非线性吸收阶段强脉冲迅速增长非线性放大阶段小脉冲全被抑制自锁模，直接利用激光介质的非线性效应保持各个振荡纵模频率的等间隔分布同步泵浦，采用一台主动锁模激光器的脉冲序列泵浦另一台激光器来获得窄脉冲（4）其它锁模一个问题在某一波长所产生的最短脉宽有理论极限，即脉冲延续时间要大于光子振荡周期。问题：可见光波段能否产生阿秒（10－18秒）脉冲？回答：不能，因为可见光的振荡周期为T=λ/c≈2×10-15秒，阿秒脉冲要在X射线或深紫外区才能产生。9.4.2超短激光脉冲的测量（1）光电管与示波器探测技术（2）条纹相机（3）相关测量示波器：Tektronix示波器，带宽6GHz，可测200ps的脉冲PIN二极管，响应时间为20ps可测量几百皮秒的脉冲，无法达到亚皮秒量级（1）光电管与示波器探测技术可达皮秒量级，不适合于连续锁模激光器，价格昂贵，结构复杂（2）条纹相机条纹相机将光脉冲的时间轴转化为了荧光屏的空间轴把对脉冲的瞬时测量变成测量具有相对延迟的两个脉冲乘积的时间积分（3）相关测量（1）光脉冲一分为二，产生相位延迟，再将两脉冲叠加（2）用线性探测器检测光脉冲（3）通常利用二次谐波实验装置用于改变相位延迟检测二次谐波双光子荧光法，荧光强度与脉冲重合程度相关9.4.3寿命测量

它是时间分辨光谱的重要应用通过寿命测量可获得跃迁几率、吸收截面、碰撞截面等物理量测量方法有：(1)频域测量法(2)相移法(3)单脉冲激发法(4)延迟符合技术(5)快离子束法(6)条纹相机(7)泵浦——探测技术在均匀增宽体系中，光谱的时域和频域满足傅立叶变换关系，通过测量谱线宽度估计寿命（1）频域测量法适合于指数衰减过程的寿命估计（2）相移法受调制的入射光接收到的荧光荧光相对于入射光的相位移动满足：用单脉冲激发样品，然后探测荧光衰减（3）单脉冲激发用重复率高的短脉冲激发，然后探测一段时间内荧光光子几率的时间分布（4）延迟符合法将时间转化为位置的测量方式（5）快离子束法使用最广泛的寿命探测技术用超短脉冲激光激发，记