原子分子光譜-第七-八次.ppt

1,原子分子光譜 郭福明 原子與分子物理研究所 2,同步輻射,回顧,3,回顧,4,1. 輻射光的波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)、范圍寬； 2. 亮度高； 3. 準(zhǔn)直性好； 4. 單色性好； 5. 偏振光； 6. 有特定的時(shí)間結(jié)構(gòu)； 7. 穩(wěn)定。 8.多用戶(hù),同步輻射特性：,回顧,5,分光系統(tǒng) 將由不同波長(zhǎng)的“復(fù)合光”分開(kāi)為一系列“單一”波長(zhǎng)的“單色光”的器件。,1. 棱鏡：,棱鏡分光系統(tǒng)使輻射沿焦面呈非線性色散，短波的色散大于長(zhǎng)波。,回顧,6,1). 光柵,反射光柵,透射光柵,透光寬度,不透光寬度,2) . 光柵常數(shù)d, 大量等寬等間距的平行狹縫(或反射面)構(gòu)成的光學(xué)元件,光柵寬度為 l ，每毫米縫數(shù)為 m ，則總縫數(shù),2.衍射光柵(光柵),7,光柵制作： 以特殊的工具（如鉆石），在硬質(zhì)、磨光的光 學(xué)平面上刻出大量緊密而平行的刻槽。以此為 母板，可用液態(tài)樹(shù)脂在其上復(fù)制出光柵。制作 的光柵有平面透射光柵、平面反射光柵及凹面 反射光柵。 通常的刻線數(shù)為300-2000刻槽/mm。最常用的是 1200-1400刻槽/mm（紫外可見(jiàn)）及100-200刻 槽/mm（紅外）。,8,3). 光柵衍射的基本特點(diǎn),屏上的強(qiáng)度為單縫衍射和縫間干涉的共同結(jié)果。,以二縫光柵為例,結(jié)論：,9,二. 多縫干涉,1). 五縫干涉例子,主極大角位置條件,k 稱(chēng)為主極大級(jí)數(shù),相鄰兩縫在 P點(diǎn)引起的光振動(dòng)相位差為,主極大強(qiáng)度,為主極條件下單縫在 P 點(diǎn)引起光振動(dòng)矢量的振幅,10,對(duì)N 縫干涉兩主極大間有N - 1個(gè)極小， N - 2 個(gè)次極大。,衍射屏上總能量,主極大的強(qiáng)度,由能量守恒，主極大的寬度,隨著N 的增大，主極大變得更為尖銳，且主極大間為暗背景,2). N 縫干涉,縫干涉強(qiáng)度分布,縫干涉強(qiáng)度分布,縫干涉強(qiáng)度分布,11,3)單縫衍射,12,13,14,15,16,17,18,19,20,縫間干涉主極大就是光柵衍射主極大，其位置滿足, 光柵方程,多縫干涉主極大光強(qiáng)受單縫衍射光強(qiáng)調(diào)制，使得主極大光強(qiáng)大小不同，在單縫衍射光強(qiáng)極小處的主極大缺級(jí)。,缺級(jí)條件,如,缺級(jí),缺級(jí),缺級(jí)條件分析,三. 衍射和縫間干涉的共同結(jié)果,21,22,23,24,單縫衍射和縫間干涉的共同結(jié)果,幾種縫的光柵衍射,25,斜入射的光柵方程,主極大條件,k = 0, 1, 2, 3,缺級(jí)條件,最多明條紋數(shù),p,26,一束波長(zhǎng)為 480 nm 的單色平行光，照射在每毫米內(nèi)有600條刻痕的平面透射光柵上。,求,(1) 光線垂直入射時(shí)，最多能看到第幾級(jí)光譜？,(2) 光線以 30o入射角入射時(shí)，最多能看到第幾級(jí)光譜？,例,27,(2) 斜入射時(shí)，可得到更高級(jí)次的光譜，提高分辨率。,(1) 斜入射級(jí)次分布不對(duì)稱(chēng),(3) 垂直入射和斜入射相比，完整級(jí)次數(shù)不變。,(4) 垂直入射和斜入射相比，缺級(jí)級(jí)次相同。,上題中垂直入射級(jí)數(shù),斜入射級(jí)數(shù),說(shuō)明,28,四. 光柵光譜及分辨本領(lǐng),1). 光柵光譜,0級(jí),1級(jí),2級(jí),-2級(jí),-1級(jí),3級(jí),-3級(jí),白光的光柵光譜,2). 光柵的色分辨本領(lǐng),( 將波長(zhǎng)相差很小的兩個(gè)波長(zhǎng) 和+ 分開(kāi)的能力 ),色譜儀的色分辨率,29,設(shè)兩波長(zhǎng)1 和2 = 1+ 在第k 級(jí)剛好能被光柵分辨，則有,當(dāng),( 光柵的色分辨本領(lǐng) ),由(1) 、(2) 得,其中,光柵的色分辨率,討論,增大主極大級(jí)次 k 和總縫數(shù) N ，可提高光柵的分辨率。,30,五.閃耀光柵,平面式光柵的零級(jí)譜無(wú)色散。但該級(jí)卻具有最大的能量。 能量集中是單元衍射的結(jié)果，大部分能量都集中在幾何像點(diǎn)（衍射的中央主極大，即衍射零級(jí)）上。 對(duì)于平面光柵，單元衍射零級(jí)的位置與縫間干涉零級(jí)的位置恰好是重合的。 如果讓衍射零級(jí)偏離干涉零級(jí)的位置，即讓單元衍射的中央零級(jí)與j=1，或2，的光譜重合，即可解決上述問(wèn)題。 閃耀光柵具有這種能力。,31,32,平面反射光柵（閃耀光柵，小階梯光柵） 將平行的狹縫刻制成具有相同形狀的刻槽（多為三角形），此時(shí)，入射線的小反射面與夾角 一定，此時(shí)反射線集中于一個(gè)方向，從而使光能集中于所需要的一級(jí)光譜上。此種光柵又稱(chēng)閃耀光柵。當(dāng)= 時(shí)，在衍射角方向可獲得最大的光強(qiáng)， 也稱(chēng)為閃耀角。 如下圖所示。,33,k=0,k=0,34,k=0,k=0,35,36,小階梯光柵與中階梯光柵的性能比較,37,入射狹縫S1,出射狹縫S2,球面鏡M1,球面鏡M2,反射光柵G（閃耀光柵）,S1處于M1的焦平面處。,光柵單色儀,S2處于M2的焦平面處。,38,球面閃耀光柵G2,探測(cè)器,引出單色光,雙光柵光譜儀（單色儀）,G1,G2,球面閃耀光柵G1,光譜儀,單色儀,39,激光,LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,40,理論基礎(chǔ)： 愛(ài)因斯坦的光子學(xué)說(shuō)(1905)； 波粒二象性(1909) 輻射理論(1917)：提出了受激輻射的概念，預(yù)測(cè)到光可以產(chǎn)生受激輻射放大。,Einstein,41,梅曼和第一只激光器,紅寶石激光器,42,常用激光器由三部分組成：,工作物質(zhì) 泵浦源 光學(xué)諧振腔,激光,激光器結(jié)構(gòu)示意圖,1.激光器的結(jié)構(gòu),43,2.激光器的分類(lèi),44,固體激光器,45,氣體激光器,46,液體激光器,47,半導(dǎo)體激光器,48,自由電子激光器,49,（1）方向性好,激光束的發(fā)散角很小，一般為,激光定位、導(dǎo)向、測(cè)距等就利用了方向性好的特點(diǎn)。,3. 激光的特性及應(yīng)用,（2）單色性好,計(jì)量工作的標(biāo)準(zhǔn)光源、激光通訊等利用了單色性好的特點(diǎn)。,光纜,50,(3)亮度高,亮度是光源在單位面積上，向某一方向的單 位立體角內(nèi)發(fā)射的功率。,激光的輸出功率雖然有個(gè)限 度，但由于其光束細(xì)（發(fā)散特別 ?。β拭芏忍貏e大，因而其 亮度也特別大。把分散在180 范圍內(nèi)的光集中到0.18 范圍，亮度提高100萬(wàn)倍。通過(guò)調(diào)Q等技術(shù)，壓縮脈沖寬度，還可以進(jìn)一步提高亮度。,51,(4)相干性好,激光具有很好的相干性。,普通光源的相干長(zhǎng)度約為1毫米至幾十厘米， 激光可達(dá)幾十公里。,全息照相、全息 存儲(chǔ)等就利用了相干 性好的特點(diǎn)。,全息照相,52,激光的應(yīng)用：,53,54,應(yīng)用實(shí)例：,55,56,光盤(pán)存儲(chǔ)器原理激光刻蝕與讀出,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 核聚變,61,激光測(cè)距與激光雷達(dá),62,63,64,65,66,激光動(dòng)力火箭,67,4.激光器原理,受激輻射光放大,68,高能級(jí),低能級(jí),原子數(shù)按能級(jí)分布 熱平衡時(shí)，單位體積內(nèi)處于各個(gè)能級(jí)上的原子數(shù)分布,69,受激吸收 自發(fā)發(fā)射 受激發(fā)射,光與物質(zhì)相互作用,70,71,B21 (21)= B12 (21),躍遷概率相等:,受激吸收,受激發(fā)射,同時(shí)存在,72,73,實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的條件,電激勵(lì),化學(xué)激勵(lì),熱激勵(lì),光激勵(lì),1) 激勵(lì)(又稱(chēng)泵浦),介質(zhì)對(duì)光的增益作用,74,光激勵(lì)用光照射工作物質(zhì)，工作物質(zhì)吸收光能后產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，可采用高效率、高強(qiáng)度的發(fā)光燈、太陽(yáng)能和激光 放電激勵(lì)在放電過(guò)程中，氣體分子（或原子，離子）與被電場(chǎng)加速的電子碰撞，吸收電子能量后躍遷到高能級(jí)，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 熱能激勵(lì)用高溫加熱方式使高能級(jí)上氣體粒子數(shù)增加，然后突然降低氣體溫度，因高、低能級(jí)的熱馳豫時(shí)間不同，可使粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 化學(xué)能激勵(lì)利用化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中釋放的能量來(lái)激勵(lì)粒子，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。為產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，一般還需采用一定的引發(fā)措施，如采用光引發(fā)、電引發(fā)、化學(xué)引發(fā)等方式,75,2) 合適的能級(jí)結(jié)構(gòu),二能級(jí)系統(tǒng) 用光泵浦的方法不可能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,76,三能級(jí)系統(tǒng),77,四能級(jí)系統(tǒng) 比三能級(jí)系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。,78,1）紅寶石激光器的工作物質(zhì)：紅寶石 是摻有少量鉻離子（Cr3+)的（Al2O3)晶體。,采用光激勵(lì)方法： 受激和發(fā)光都在Cr3+上進(jìn)行，是典型的三能級(jí)系統(tǒng)。,5.典型激光器,79,80,81,常用固體激光器：,82,2） 氦氖氣體激光器是四能級(jí)系統(tǒng),共振轉(zhuǎn)移,83,放電管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）氣體，當(dāng)電極加上高電壓后，毛細(xì)管中的氣體開(kāi)始放電使氖原子受激，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激光躍遷的是Ne氣，He是輔助氣體，用以提高Ne原子的泵浦速率 最強(qiáng)的譜線有三條：0.6328m（紅色）、3.39m和1.15m ，常用的為0.6328m 四能級(jí)系統(tǒng),84,85,3) 二氧化碳激光器,工作物質(zhì)：CO2、N2和He的混合物 激光波長(zhǎng)：10.6微米、9.6微米（遠(yuǎn)紅外光） （利用基態(tài)的不同振動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間的躍遷，故光子能量小） 特點(diǎn)：激光器效率高、輸出能量大、功率高。,四能級(jí)、電激勵(lì),86,87,4）染料激光器,有機(jī)化合物液體（染料）激光器，簡(jiǎn)稱(chēng)染料激光器 染料激光器：若丹明6G、隱花青，豆花素 特點(diǎn)：激光波長(zhǎng)可調(diào)諧且調(diào)諧范圍寬廣、可產(chǎn)生極短的超短脈沖（3fs）、可獲得窄的譜線寬度 廣泛應(yīng)用到光生物學(xué)、光譜學(xué)、光化學(xué)同位素分離、全息照像等技術(shù)中，研究物質(zhì)的瞬態(tài)變化過(guò)程及微觀動(dòng)力學(xué)。,88,主要采用光泵浦，即用短脈沖寬度的閃光燈泵浦或其它激光器泵浦,89,90,四能級(jí),91,92,5）半導(dǎo)體激光器,半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體為工作物質(zhì)，常用材料有GaAs（砷化鎵）、InP等。具有小型、高效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在光纖通信、激光唱片、光盤(pán)、數(shù)顯、準(zhǔn)直等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。,半導(dǎo)體激光器又稱(chēng)為半導(dǎo)體激光二極管，或簡(jiǎn)稱(chēng)激光二極管，英文縮寫(xiě)為L(zhǎng)D (Laser Diode)，是實(shí)用中最重要的一類(lèi)激光器 。,93,利用半導(dǎo)體中載流子（電子或空穴）在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的受激躍遷而實(shí)現(xiàn)受激輻射光放大。（半導(dǎo)體中的電流是電子和空穴的移動(dòng)而形成的，稱(chēng)為載流子。）,94,95,6）自由電子激光器,96,6. 介質(zhì)的增益作用,97,一對(duì)反射鏡為端面的腔體稱(chēng)為諧振腔。,7. 光學(xué)諧振腔的作用,98,振蕩模式 是指能夠在諧振腔內(nèi)存在的穩(wěn)定的光波基本形式，用TEMmnq表示。,m和n表征該模式在垂直于腔軸內(nèi)形成駐波的節(jié)點(diǎn)數(shù),稱(chēng)橫模數(shù)。,q表示該模式在光腔軸的平面內(nèi)形成的節(jié)點(diǎn)數(shù)，稱(chēng)縱模數(shù)。,1.縱模 能引起振蕩的頻率關(guān)系 2.橫模 光場(chǎng)在橫向不同的穩(wěn)定分布。,99,橫模,100,101,8.激光形成的閾值條件,光在諧振腔內(nèi)受到各種損耗: (1) 反射鏡的透射損耗 (2) 諧振腔的內(nèi)部損耗,內(nèi),102,由以上討論可將激光工作原理總結(jié)如下：,(1) 工作物質(zhì)在激勵(lì)能源激勵(lì)下實(shí)現(xiàn)粒子 數(shù)反轉(zhuǎn) (2) 由自發(fā)輻射產(chǎn)生的少數(shù)沿腔軸方向傳 播的光子在工作物質(zhì)中引起受激輻射 (3) 光學(xué)諧振腔使受激輻射的光子在腔內(nèi) 往返振蕩，不斷得到放大 (4) 滿足閾值條件下形成激光,