原子分子光譜第七次

1、1郭福明原子與分子物理研究所 ,135144124632儲(chǔ)存環(huán)示意圖儲(chǔ)存環(huán)示意圖插入件：產(chǎn)生各類(lèi)插入件：產(chǎn)生各類(lèi)不同特征的同步輻射不同特征的同步輻射同步加速腔：加速同步加速腔：加速電子，并補(bǔ)充同步電子，并補(bǔ)充同步輻射損失的能量輻射損失的能量真空室：減少因殘留氣體真空室：減少因殘留氣體碰撞而損失光束線(xiàn)能量碰撞而損失光束線(xiàn)能量四極磁鐵：以透鏡四極磁鐵：以透鏡機(jī)制聚焦光束線(xiàn)機(jī)制聚焦光束線(xiàn)彎轉(zhuǎn)磁鐵彎轉(zhuǎn)磁鐵：使束流軌使束流軌道轉(zhuǎn)彎，產(chǎn)生同步輻射道轉(zhuǎn)彎，產(chǎn)生同步輻射同步輻射同步輻射回顧3回顧41. 1. 輻射光的波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)、輻射光的波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)、范圍寬范圍寬；2. 2. 亮度高亮度高；3. 3. 準(zhǔn)直性

2、好；準(zhǔn)直性好；4. 4. 單色性好單色性好；5. 5. 偏振光；偏振光；6. 6. 有特定的時(shí)間結(jié)構(gòu)；有特定的時(shí)間結(jié)構(gòu)；7. 7. 穩(wěn)定。穩(wěn)定。8.8.多用戶(hù)多用戶(hù)同步輻射特性：同步輻射特性：回顧5入射狹縫入射狹縫準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直鏡物鏡物鏡棱鏡棱鏡焦面焦面出射狹縫出射狹縫f分光系統(tǒng)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：棱鏡分光系統(tǒng)使輻射沿焦面呈非線(xiàn)性色散，短波的色散大于長(zhǎng)波。回顧6一一. 衍射光柵衍射光柵1). 光柵光柵反射光柵反射光柵透射光柵透射光柵透光寬度透光寬度不透光寬度不透光寬度2) . 光柵常數(shù)光柵常數(shù)d badab 大量等寬等間距

3、的平行狹縫大量等寬等間距的平行狹縫( (或反射面或反射面) )構(gòu)成的光學(xué)元件構(gòu)成的光學(xué)元件光柵寬度為光柵寬度為 l ，每毫米縫數(shù)每毫米縫數(shù)為為 m ，則，則總縫數(shù)總縫數(shù)lmN2.2.光柵光柵7光柵制作：光柵制作： 以特殊的工具（如鉆石），在硬質(zhì)、磨光的光以特殊的工具（如鉆石），在硬質(zhì)、磨光的光 學(xué)平面上刻出大量學(xué)平面上刻出大量緊密而平行的刻槽緊密而平行的刻槽。以此為。以此為 母板，可用液態(tài)樹(shù)脂在其上復(fù)制出光柵。制作母板，可用液態(tài)樹(shù)脂在其上復(fù)制出光柵。制作 的光柵有的光柵有平面透射光柵平面透射光柵、平面反射光柵平面反射光柵及及凹面凹面 反射光柵反射光柵。 通常的刻線(xiàn)數(shù)為通常的刻線(xiàn)數(shù)為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（紫外可見(jiàn)）及（紫外可見(jiàn)）及100-200刻刻 槽槽/mm（紅外）。（紅外）。 8x2sdP1soaad3f3). 光柵衍射的基本特點(diǎn)光柵衍射的基本特點(diǎn)屏上的強(qiáng)度為單縫衍射和縫間屏上的強(qiáng)度為單縫衍射和縫間干涉的共同結(jié)果。干涉的共同結(jié)果。以二縫光柵為例以二縫光柵為例x結(jié)論結(jié)論：1 01k10II2 2只考慮單縫衍射強(qiáng)度分布只考慮單縫衍射強(qiáng)度分布只考慮雙縫干涉強(qiáng)度分布只考慮雙縫干涉強(qiáng)度分布雙縫光柵強(qiáng)度分布雙縫光柵強(qiáng)度分布1 01k10II303k660II19 sind二二. 多縫干涉多縫干涉1). 五五縫干涉例子縫干涉例

5、子kdsinl 主極大角位置條件主極大角位置條件, 2 , 1 , 0kk 稱(chēng)為主極大級(jí)數(shù)稱(chēng)為主極大級(jí)數(shù)2sin2 kdAAA5IAI225相鄰兩縫在相鄰兩縫在 P點(diǎn)點(diǎn)引起引起的光振動(dòng)相位差為的光振動(dòng)相位差為l 主極大強(qiáng)度主極大強(qiáng)度為主極條件下單縫在為主極條件下單縫在 P 點(diǎn)引起光振動(dòng)矢量的振幅點(diǎn)引起光振動(dòng)矢量的振幅Pba LfoA10對(duì)對(duì)N 縫干涉兩主極大間縫干涉兩主極大間有有N - - 1個(gè)個(gè)極小，極小， N - - 2 個(gè)次極大。個(gè)次極大。1 m0 m1 m081 II1 m0 m1 m04 II2N5N9N衍射屏上總能量衍射屏上總能量NE 主極大的強(qiáng)度主極大的強(qiáng)度2NI 由能量守恒，主

6、極大的由能量守恒，主極大的寬度寬度N1隨著隨著N 的增大，主極的增大，主極大變得更為尖銳大變得更為尖銳，且，且主極大間為暗背景主極大間為暗背景2). N 縫干涉縫干涉1 m0 m1 m025 II縫干涉強(qiáng)度分布縫干涉強(qiáng)度分布縫干涉強(qiáng)度分布縫干涉強(qiáng)度分布縫干涉強(qiáng)度分布縫干涉強(qiáng)度分布11縫間干涉主極大就是光柵衍射主極大，其位置滿(mǎn)足縫間干涉主極大就是光柵衍射主極大，其位置滿(mǎn)足kdsin, 3 , 2 , 1 , 0k 光柵方程光柵方程 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)極小處的強(qiáng)大小不同，在單縫衍射光強(qiáng)極小處

7、的主極大主極大缺級(jí)。缺級(jí)。kasindkaksinadkk2ad23ad6, 4, 2k9, 6, 3k缺級(jí)條件缺級(jí)條件如如缺級(jí)缺級(jí)缺級(jí)缺級(jí)缺級(jí)條件分析缺級(jí)條件分析, 3 , 2 , 1 kkdsin三三. . 衍射和縫間干涉的共同結(jié)果衍射和縫間干涉的共同結(jié)果12d=3aN=4(sinN/sin)2I0(sinu/u)2u=asin/13N=6,d=5a14N=20,d=3a15單縫衍射和縫間干涉的共同結(jié)果1 N20 N6 N5 N3 N2 N幾種縫的光柵衍射幾種縫的光柵衍射16五五. 斜入射的光柵方程斜入射的光柵方程kd)sin(sin主極大條件主極大條件k = 0, 1, 2, 3N缺級(jí)條

8、件缺級(jí)條件)sin(sinkakd)sin(sin最多明條紋數(shù)最多明條紋數(shù))22()sin2(sinmaxdk)sin2 (sin max-dk1maxmaxkkNAB aNsin) 1(sin) 1(aN p17一束波長(zhǎng)為一束波長(zhǎng)為 480 nm 的單色平行光，照射在每毫米內(nèi)有的單色平行光，照射在每毫米內(nèi)有600條刻痕的平面透射光柵上。條刻痕的平面透射光柵上。求求 (1) 光線(xiàn)垂直入射時(shí)，最多能看到第幾級(jí)光譜？光線(xiàn)垂直入射時(shí)，最多能看到第幾級(jí)光譜？(2) 光線(xiàn)以光線(xiàn)以 30o入射角入射時(shí)，最多能看到第幾級(jí)光譜？入射角入射時(shí)，最多能看到第幾級(jí)光譜？例例kdsinm 106110600153dd

9、kmax3108 . 461075解解 (1)當(dāng)當(dāng) = -90o 時(shí)時(shí)當(dāng)當(dāng) = 90o 時(shí)時(shí)kd)03sin(sino5maxk1maxk(2)18(2) 斜入射時(shí)，可得到更高級(jí)次的光譜，提高分辨率。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)斜入射級(jí)次分布不對(duì)稱(chēng)(3) 垂直入射和斜入射相比，垂直入射和斜入射相比，完整級(jí)次數(shù)不變。完整級(jí)次數(shù)不變。(4) 垂直入射和斜入射相比，垂直入射和斜入射相比，缺級(jí)級(jí)次相同。缺級(jí)級(jí)次相同。kd)sin(sin)sin(sinkaadkk, 3 , 2 , 1 k上題中垂直入射級(jí)數(shù)上題中垂直入射級(jí)數(shù)3 , 2 , 1 , 0 , 1

10、, 2, 3k斜入射級(jí)數(shù)斜入射級(jí)數(shù)5 , 4 , 3 , 2 , 1 , 0 , 1k說(shuō)明說(shuō)明19四四. 光柵光譜及分辨本領(lǐng)光柵光譜及分辨本領(lǐng)1). 光柵光譜光柵光譜0級(jí)級(jí)1級(jí)級(jí)2級(jí)級(jí)-2級(jí)級(jí)-1級(jí)級(jí)3級(jí)級(jí)-3級(jí)級(jí)白光的光柵光譜白光的光柵光譜2). 光柵的色分辨本領(lǐng)光柵的色分辨本領(lǐng)( 將波長(zhǎng)相差很小的兩個(gè)波長(zhǎng)將波長(zhǎng)相差很小的兩個(gè)波長(zhǎng) 和和 + 分開(kāi)的能力分開(kāi)的能力 )色譜儀的色分辨率色譜儀的色分辨率R20設(shè)兩波長(zhǎng)設(shè)兩波長(zhǎng) 1 和和 2 = 1+ 在第在第k 級(jí)剛好能被光柵分辨，則有級(jí)剛好能被光柵分辨，則有1, 1sinkdk2, 2sinkdk(1), 2, 1, 1coskdkk當(dāng)當(dāng) kNR

11、( 光柵的色分辨本領(lǐng)光柵的色分辨本領(lǐng) )由由(1) 、(2) 得得kkk, 1, 2, 2, 1其中其中k , 1根據(jù)瑞利判據(jù)：根據(jù)瑞利判據(jù)：kk, 1, 2, 1(2) cos, 1, 1kkNd時(shí)剛能時(shí)剛能分辨分辨為波長(zhǎng)為波長(zhǎng) 1第第k 級(jí)主極大半角寬度，且級(jí)主極大半角寬度，且光柵的色分辨率光柵的色分辨率討論討論增大主極大級(jí)次增大主極大級(jí)次 k 和總縫數(shù)和總縫數(shù) N ，可提高光柵的分辨率。，可提高光柵的分辨率。21五.閃耀光柵 n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。n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。n對(duì)于平面光柵，單元衍

12、射零級(jí)的位置與縫間干涉零級(jí)的位置恰好是重合的。n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。n閃耀光柵具有這種能力。22平面反射光柵（閃耀光柵，小階梯光柵）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(xiàn)的小反射面與夾角時(shí)，入射線(xiàn)的小反射面與夾角 一定，此時(shí)反射線(xiàn)集中于一個(gè)方向，一定，此時(shí)反射線(xiàn)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)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)

13、= = 時(shí)，在衍射角時(shí)，在衍射角 方向可獲得最大的光強(qiáng)，方向可獲得最大的光強(qiáng)， 也稱(chēng)為閃耀角。也稱(chēng)為閃耀角。 如下圖所示。如下圖所示。 A AB BC CD Dd d 1P P0 0距離距離相對(duì)強(qiáng)度相對(duì)強(qiáng)度P P1 123-6-4-20246 -6-4-20246 k=0k=024-6-4-20246 k=0k=02526光光柵柵參參數(shù)數(shù) 常規(guī)閃耀光柵常規(guī)閃耀光柵 中階梯光柵中階梯光柵 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 級(jí)次，級(jí)次，n 1 75 分辨率分辨率(300nm)，R 62,400 763,00

14、0 倒線(xiàn)色散率，倒線(xiàn)色散率，d /dl 16 埃埃/mm 1.5 埃埃/mm 聚光本領(lǐng)聚光本領(lǐng) f/9.8 f/8.8 小階梯光柵與中階梯光柵的性能比較小階梯光柵與中階梯光柵的性能比較 27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。28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）G1G2球面閃耀光柵G1光譜儀單色儀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紅寶石激光器31常用激光器

15、由三部分組成：常用激光器由三部分組成： 工作物質(zhì)工作物質(zhì) 泵浦源泵浦源 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔激光激光激光器結(jié)構(gòu)示意圖激光器結(jié)構(gòu)示意圖全反鏡半反鏡增益介質(zhì)泵浦燈1.激光器的結(jié)構(gòu)32按輸出方式分：按輸出方式分：脈沖輸出脈沖輸出連續(xù)輸出連續(xù)輸出按工作物質(zhì)分按工作物質(zhì)分 ：半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器氣體激光器氣體激光器固體激光器固體激光器液體激光器液體激光器自由電子激光器自由電子激光器2.激光器的分類(lèi)按輸出波長(zhǎng)分：按輸出波長(zhǎng)分：紫外和真空紫外激光器紫外和真空紫外激光器紅外和遠(yuǎn)紅外激光器紅外和遠(yuǎn)紅外激光器可見(jiàn)光激光器可見(jiàn)光激光器X射線(xiàn)激光器射線(xiàn)激光器33固體激光器固體激光器34氣體激光器氣體激光器35液體

16、激光器液體激光器36半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器37自由電子激光器自由電子激光器38（1 1）方向性好）方向性好 激光束的發(fā)散角很小，一般激光束的發(fā)散角很小，一般為為sr101085 激光定位、導(dǎo)向、測(cè)距等激光定位、導(dǎo)向、測(cè)距等就利用了方向性好的特點(diǎn)。就利用了方向性好的特點(diǎn)。3. 激光的特性及應(yīng)用（2 2）單色性好）單色性好 計(jì)量工作的標(biāo)準(zhǔn)光源、計(jì)量工作的標(biāo)準(zhǔn)光源、激光通訊等利用了單色性激光通訊等利用了單色性好的特點(diǎn)。好的特點(diǎn)。光纜光纜39(3)(3)亮度高亮度高 亮度是光源在單位面積上，向某一方向的單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。位立體角內(nèi)發(fā)射的功率。 激光的輸出功

17、率雖然有個(gè)限激光的輸出功率雖然有個(gè)限度，但由于其光束細(xì)（發(fā)散特別度，但由于其光束細(xì)（發(fā)散特別?。β拭芏忍貏e大，因而其?。?，功率密度特別大，因而其亮度也特別大。把分散在亮度也特別大。把分散在180180范圍內(nèi)的光集中到范圍內(nèi)的光集中到0.18 0.18 范圍，范圍，亮度提高亮度提高100100萬(wàn)倍。通過(guò)調(diào)萬(wàn)倍。通過(guò)調(diào)Q Q等技等技術(shù)，壓縮脈沖寬度，還可以進(jìn)一術(shù)，壓縮脈沖寬度，還可以進(jìn)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。 普通光源的相干長(zhǎng)度約為普通光源的相干長(zhǎng)度約為1 1毫米至幾十厘米，毫米至幾十厘米，激光可達(dá)幾十公里。激光可達(dá)

18、幾十公里。 全息照相、全息全息照相、全息存儲(chǔ)等就利用了相干存儲(chǔ)等就利用了相干性好的特點(diǎn)。性好的特點(diǎn)。全息照相全息照相41激光的應(yīng)用：激光的應(yīng)用：4243應(yīng)用實(shí)例：應(yīng)用實(shí)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激光動(dòng)力火箭53EiEnniEE 受激發(fā)射受激輻射光放大54原子數(shù)按能級(jí)分布原子數(shù)按能級(jí)分布kTEEeNN)(1212ENE2E1N2N12N1N55光與物質(zhì)相互作用光與物質(zhì)相互作用EnEnEiinEE 受激吸收EiEnniEE 受激發(fā)射EiinEE 自發(fā)發(fā)射56受激吸收愛(ài)因斯坦系數(shù)低能級(jí)E1的粒子數(shù)密度受激吸收概率受激吸收概率: :光場(chǎng)的能量密度單位時(shí)間、單位體積單位時(shí)間、單位體積產(chǎn)生的光子數(shù)產(chǎn)生的光子數(shù): :W21 = B21 ( 21) 受激輻射愛(ài)因斯坦系數(shù)5758為得到光放大為得到光放大,必須使必須使2N1N59介質(zhì)對(duì)光的增益作用介質(zhì)對(duì)光的增益作用E1E2泵浦60n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