激光光譜-01-吸收與發(fā)射、線寬與線形

激光光譜左都羅徐業(yè)斌郭連波zuoduluo@；xu-ye-bin@163.com；lbguo@1基本要求成績構(gòu)成20%平時(shí)成績（作業(yè)、簽到）80%考試成績基本要求進(jìn)入課堂，希望能保持對課程內(nèi)容的興趣批判性思維?？陀^規(guī)律；科技文獻(xiàn)的表述是盡量接近，但很難完全一致；教師的講授亦可能存在各種欠缺有疑問，隨時(shí)提出23第1講課程簡介吸收與發(fā)射

線寬與線形-W.Demtroder,LaserSpectroscopy,Ch2,Ch34概要課程簡介光的吸收與發(fā)射熱輻射、Planck定律、Einstein系數(shù)吸收譜與發(fā)射譜，原子分子光譜的基本特征躍遷幾率偏振、相干線寬與線形自然展寬、Doppler展寬、碰撞展寬、飽和展寬均勻展寬與非均勻展寬51.課程簡介–基本概念光譜(spectrum,spectra)：光輻射的頻譜分布；關(guān)于光輻射頻譜分布的科學(xué)，如原子分子光譜，紅外光譜光譜學(xué)、光譜技術(shù)(spectroscopy)：與頻譜相關(guān)的光與物質(zhì)相互作用的學(xué)問；獲得光輻射頻譜分布的方法經(jīng)典光譜學(xué)：自牛頓開始，至量子力學(xué)誕生前現(xiàn)代光譜學(xué)：基于量子力學(xué)基礎(chǔ)的光譜理論，采用激光的探測方法（激光光譜學(xué)）6經(jīng)典光譜學(xué)–牛頓棱鏡分色E.V.Shpol’skii,acenturyofspectrumanalysis,SovietPhysicsUspekhi,2(6),pp.958-973,19607棱鏡分色Spectroscopy,wikipedia;D-Kuru/WikimediaCommons8太陽譜暗線，火焰線狀發(fā)射譜Wollaston,1802在棱鏡前設(shè)置狹縫：太陽譜中有幾條黑線，其后被稱作Fraunhofer線；燭光火焰內(nèi)部的光譜:5條明亮的譜線，譜線間為暗區(qū)，首次觀測到火焰的線狀發(fā)射譜。15年后，F(xiàn)raunhofer對這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究實(shí)驗(yàn)方法的顯著改善：用安裝在經(jīng)緯儀上的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測。燭光，發(fā)出兩條相鄰的明亮黃線.太陽譜B–H之間，754條暗線，其中350條得到精確測量。在橙和黃之間，D，雙暗線，與燭光中雙亮線一致。高質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)、絲線光柵、刻線光柵(密度321g/mm)：暗線位置精確化9太陽黑線–Fraunhoferlines10光譜分析實(shí)驗(yàn)KirchhoffandBunsen,1860堿金屬：鋰、納、鉀堿土金屬：鈣、鍶、鋇兩種新堿金屬元素（銣Rb和銫Cs）發(fā)現(xiàn)：光譜分析對地球分析化學(xué)的重要性11現(xiàn)代光譜：量子力學(xué)與激光技術(shù)氫原子光譜：Balmer,1881;Rydberg,1890.原子軌道理論：Bohr1913.原子與分子光譜激光，激光光譜激光光譜應(yīng)用12現(xiàn)代光譜學(xué)–激光光譜T.H.Maiman,1960.第一臺激光器，紅寶石激光器，694nm?，F(xiàn)代光譜學(xué)時(shí)代。初期，激光器不可調(diào)諧，最早的研究，激光介質(zhì)本身，以及碰巧重合的譜線，或者Stark分裂、Zeeman分裂調(diào)諧的譜線?？烧{(diào)諧激光器（如染料激光器）極大地?cái)U(kuò)展了測量的范圍。激光，導(dǎo)致了高靈敏度和超高分辨光譜的誕生。飽和吸收光譜，原子、分子光譜的亞多普勒分辨率；無多普勒雙光子共振；原子束，消多普勒短脈沖激光，時(shí)域光譜。強(qiáng)激光，非線性光學(xué)：相干Raman散射等。13激光光譜應(yīng)用：化學(xué)分析化學(xué)：檢測靈敏度10-9–10-12單分子探測同位素分離：選擇激發(fā)、多光子電離激光化學(xué)：激光誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)，控制化學(xué)反應(yīng)142.光的吸收與發(fā)射熱平衡輻射（黑體輻射）輻射模式熱平衡–Planck定律輻射體的熱平衡–Einstein系數(shù)吸收譜與發(fā)射譜，原子分子光譜的基本特征躍遷幾率偏振、相干15腔模電磁波的一般表示形式在空腔內(nèi)，波矢應(yīng)滿足確定的1組(nx,ny,nz)，8個(gè)行波，1組駐波：本征振蕩，模，模密度16黑體輻射，Planck定律從輻射場考察熱平衡時(shí)，每一個(gè)模的能量為kT，則黑體輻射的能量密度為Rayleigh-Jeans定律，高頻發(fā)散。量子化假設(shè)，Planck定律17吸收，自發(fā)發(fā)射與受激發(fā)射Einstein系數(shù)從輻射源考察。吸收速率受激發(fā)射速率自發(fā)發(fā)射速率平衡體系：吸收與發(fā)射平衡，輻射源(原子或分子)熱平衡自發(fā)發(fā)射速率與模式中包含一個(gè)光子的受激發(fā)射幾率相當(dāng)；自發(fā)發(fā)射速率與頻率的3次方成正比。18吸收光譜19原子發(fā)射光譜20分子發(fā)射光譜21氫原子光譜Balmer總結(jié)了一個(gè)線系的規(guī)律，Rydberg等人將它擴(kuò)展到氫原子的其它譜線。

22氫原子電子運(yùn)動的徑向分布23氫原子電子運(yùn)動的角度分布分節(jié)面,或者節(jié)點(diǎn)(Nodalsurfaces,ornodes)角量子數(shù)/磁量子數(shù)與角動量的關(guān)系24角動量25電子自旋和核自旋角動量電子自旋，來源于量子力學(xué)的Dirac相對論方程（保持相對論方程空間微分和時(shí)間微分的對稱性），量子數(shù)為1/2；質(zhì)子或中子的自旋量子數(shù)同樣為1/2，但原子核的自旋量子數(shù)決定于它包含的核子數(shù)，可為整數(shù)，也可為半整數(shù)。整數(shù)自旋–交換對稱波函數(shù)；分?jǐn)?shù)自旋，交換反對稱波函數(shù)。26氫原子的能級電子與QED真空（量子化輻射的基態(tài)）的作用，產(chǎn)生移位和分裂。Lambshift精細(xì)結(jié)構(gòu)finestructure超精細(xì)結(jié)構(gòu)射電天文觀測譜線27多粒子體系的Hamiltonian量28Born-Oppenhermer近似B-O近似：假設(shè)原子核的運(yùn)動（振動）比電子的運(yùn)動慢很多，因此在考察電子運(yùn)動的波函數(shù)和能量時(shí)只須把核坐標(biāo)當(dāng)作一個(gè)參量。B-O近似，是將分子運(yùn)動分解為轉(zhuǎn)動、振動、電子運(yùn)動的基礎(chǔ)。29剛性轉(zhuǎn)子剛性轉(zhuǎn)子近似：分子的原子核之間，由剛性的、無質(zhì)量的棒相連。除核自旋之外的所有角動量(原子核轉(zhuǎn)動、電子軌、以及電子自旋)，用J表示。剛性轉(zhuǎn)子能量的量子化：30諧振子Hamiltonian方程求解Hermitepolynomials31諧振子能級與振子質(zhì)心幾率分布能量：零點(diǎn)能，等間距能級振子波函數(shù)：在拋物線之外，也有振子的可幾分布隨量子數(shù)增大，最可幾分布越靠近經(jīng)典的拋物線32躍遷選擇定則躍遷選擇定則的關(guān)鍵是對稱性。電子能級之間的躍遷主量子數(shù)n：無約束角動量及其分量的量子數(shù)：0,1振動能級之間的躍遷不同電子態(tài)的振動能級之間：無約束，大小正比于重疊積分（Frank-Condon原理）同一電子能級內(nèi)的振動能級之間：要求分子具有固有電偶極矩；振動量子數(shù)v變化1轉(zhuǎn)動能級之間的躍遷同一電子能級內(nèi)的轉(zhuǎn)動能級之間：要求分子具有固有電偶極矩轉(zhuǎn)動量子數(shù)變化1（但拉曼散射，雙光子，變化0，或者2）33躍遷的半經(jīng)典描述：基本方程光場：經(jīng)典電磁波；原子：量子力學(xué)。相互作用勢–偶極矩近似：原子尺度遠(yuǎn)小于波長，光場的空間變化可忽略不計(jì)。34兩能級系統(tǒng)的基本方程Rabifrequency35弱場近似弱場作用下，分子體系僅發(fā)生微弱改變，可認(rèn)為a1,b0.和頻項(xiàng)被忽略36Einstein系數(shù)的導(dǎo)出與躍遷頻率無關(guān)電偶極矩子能級|im>的粒子數(shù)只占初始能級|i>的1/gi37馳豫的引入38與強(qiáng)場的相互作用一個(gè)振幅A0光場與分子體系作用T時(shí)間，正好將原處于下能級的粒子，全部轉(zhuǎn)移到上能級。躍遷速率不再與光強(qiáng)成正比。39與強(qiáng)場的相互作用Lorentzian線型，線寬隨光強(qiáng)的增大而增寬–飽和展寬40偏振光的定義直角坐標(biāo)分解，不同方向相位不相關(guān)，或者相位差隨機(jī)漲落，為非偏振光，否則為偏振光。線偏光(相位差為0)，園偏光(振幅相等，相位差90)瓊斯向量和矩陣41偏振與光子自旋角動量量子場論結(jié)果：光子自旋量子數(shù)為1，分量Jz僅有兩個(gè)本征值，h/2。對應(yīng)的本征矢為左旋和右旋園偏光，線性偏振是這兩種偏振的疊加。E-Karimi/wikipedia/wiki/Spin_angular_momentum_of_lightSWeinberg,Thequantumtheoryoffields,Vol.1,CambridgeUniversityPress42光子自旋：無質(zhì)量粒子的自旋田貴花，對光子及其角動量概念的一些評注和探討，應(yīng)用物理，2014,4,176-18043Jones向量，Jones矩陣右旋左旋右旋的表示，與含時(shí)角頻率的符號有關(guān)。右旋定義為大拇指指向光源44徑向偏振與角向偏振與線偏振、圓偏振的關(guān)系？局域光場，廣域光場；廣域光場才是光子自旋角動量的本征態(tài)？45相干性時(shí)間相干性空間相干性相干體積相干度46時(shí)間相干性：相干長度波列中相距一定長度的2個(gè)點(diǎn)的所有子波均具有穩(wěn)定的相位差，該長度的最大值為該波列的相干長度。47空間相干性相干面積相干面積與衍射極限發(fā)散角對應(yīng)48相干體積相干面積與相干長度的乘積.光譜照度L的光源，入射到相干體積中的光子數(shù)密度：黑體輻射源，入射到相干體積中的光子數(shù)密度：相干體積中的光子數(shù)與一個(gè)模式中的光子數(shù)相等：相干體積與光輻射的模體積相當(dāng)模體積中的光子數(shù)(同一模式有確定的偏振)49相關(guān)函數(shù)與相干度50線寬與線型51衰減振子，自然展寬Lorentzianprofile52吸收，色散關(guān)系53Doppler展寬I54Doppler展寬IIDoppler頻移；熱運(yùn)動，速度Boltzman分布；Doppler展寬，高斯線型。55Lorentzian線型與Gaussian線型的比較56綜合加寬自發(fā)發(fā)射壽命等因素，速度v的粒子發(fā)射或吸收的輻射也有一定的自然線寬。Voigt線型：Lorentzian線型與高斯線型的卷積。57碰撞展寬非彈性碰撞，淬滅碰撞，譜線展寬；彈性碰撞，相位擾動碰撞，譜線位移58譜線的碰撞壓縮上能級有較長的壽命；碰撞減慢了粒子的熱運(yùn)動速度：減小Doppler展寬，壓縮線寬。一般出現(xiàn)在紅外或微波波段：基電子能級的振動態(tài)，長壽命；輻射波長大于平均自由程。59均勻加寬與非均勻加寬均勻加寬：對所有粒子的影響相同。如自然展寬，碰撞加寬；非均勻加寬：如Doppler加寬。若碰撞加寬產(chǎn)生速度的改變，也可以產(chǎn)生非均勻加寬。60飽和展寬飽和參數(shù)：吸收功率：泵浦速率與馳豫速率的比值.61小結(jié)光的基本特性粒子性：光子能量、動量、自旋角動量、軌道角動量波動性：頻率，波長，偏振，相干性熱平衡輻射–黑體輻射自發(fā)輻射速率=模式中含有1個(gè)光子的受激輻射速率模體積=相干體積原子、分子光譜的基本特征原子光譜：譜線分子光譜：譜帶，帶，支，支線線寬與線型自然展寬，Doppler展寬，壓力展寬，飽和展寬均勻展寬，非均勻展寬Lorentzian線型，Gauss線型，Voigt線型62延伸閱讀J.M.Hollas,ModernSpectroscopy,4thEd.,JohnWiley&Son