第三章光譜的線寬和線形

光譜的線寬和線型自由討論：1，有那些函數(shù)分布，分別代表什么過程？2，影響光吸收的物理因素有哪些?3，光和原子相互作用有哪些過程？4，原子原子碰撞過程中，有哪些相互作用？5，光強(qiáng)對原子吸收的影響？內(nèi)容：1，自然線寬2，Doppler加寬3，碰撞加寬4，渡越加寬5，飽和加寬線寬

半高全寬(FWHM,FullWidthatHalfMaximum)=半高寬=半寬(halfwidth)=線寬(linewidth)。譜線寬度來源自然、多普勒、碰撞、渡越，飽和等線型g()線核線翼線核

一、輻射譜線自然線寬

激發(fā)態(tài)的原子用一個經(jīng)典阻尼諧振子描寫：第3.1節(jié)自然線寬FourierTransferNormalizedLorentzian可忽略Relationbetweenlinewidth,decayrate,andlifetime:Ifconsideringthegroundstate:NaturallinewidthEnergyuncertaintySpontaneousemissionEnergyuncertainty(lifetime)[nm]s[ns]n=1/(2s)[MHz]LiD267127.25.85NaD258916.39.76RbD278026.56.01CsD2852315.13Ba5549.117.49Ba7911.37us0.12一些躍遷譜線的自然線寬一、吸收線性O(shè)scillatorwithdrivenforceqE宏觀極化子：LightspeedinmediumRelativepermittivity相對介電常數(shù)相對磁化率ImaginaryisabsorptionRealisdispersion,phasevelocityKramers-KronigrelationEffectivewavevector第3.2節(jié)Doppler線寬相向運(yùn)動時觀察者感覺輻射場頻率升高，反向時感覺頻率降低

原子吸收觀察者動輻射源不動

原子發(fā)射觀察者不動輻射源動(原子感受到的光頻率)

(共振條件0=’)原子實(shí)際吸收的光頻a

L

原子譜線的一級(線性)Doppler頻移一、Doppler效應(yīng)(一級)MaxwellianvelocitydistributionConsideringDopplerfrequencyshift(Dopplerbroadeneddistribution,Gussiandistribution)HalfwidthMmolemass/atomnumber(kg)MaxwellDistributionHotColdTsmallTlarge“Hot”vs.“Cold”速率vs速度Doppler線寬計(jì)算舉例Z[amu][nm]T[K]D[GHz]放電中HL1121.6100055.8熱管中NaD223589.15001.7室溫85RbD285780.03000.52冷原子85RbD285780.0144K0.36MHz熱管中7LiD7670.86003.0冷原子7LiD7670.8140K1.4MHz室溫CsD2133852.13000.38室溫CO24410m3000.056室溫87Rb鐘躍遷876.8GHz3009.0KHz四、Lorentz線型與Gauss線型的比較

Lorentz線寬(FWHM):n==Ai=1/in=n/2

一般情況n=(1/I+1/k)DopplershiftNaturalprofileCenter:G+LWing:L五、Voigt線型(Lorentz線型與Gauss線型的卷積)實(shí)際觀察到的譜線線型一般都是Viogt線型，通過反卷積分析得到L(-0)和G(-0)原子吸收和發(fā)射線性，同時受自發(fā)輻射和速度影響第3.3節(jié)碰撞加寬R(A,B)碰撞伙伴(對)A-B質(zhì)心間距碰撞頻移，可正可負(fù)(取決于勢能曲線/面)2Rc碰撞直徑c=Rc/v=2ps(1nm/500ms-1)碰撞時間(彈性)碰撞產(chǎn)生頻移與加寬的原因：內(nèi)能差來自碰撞平動能，非碰撞產(chǎn)生改變體系內(nèi)態(tài)

絕熱近似、B-O近似

原子核重排(碰撞、化學(xué)反應(yīng))過程中，電子的電荷分布/躍遷(fs)可實(shí)時快速地調(diào)整(垂直躍遷)兩體喪碰撞輻射B粒子逆數(shù)吸收測量I(,它T)裁T關(guān)系荒，可蠶獨(dú)立伏得到貧基態(tài)Vi田(R)的信記息：碰撞趟后輻守射譜具線產(chǎn)眠生加白寬與請移動墾：溫度內(nèi)態(tài)賭發(fā)生粥變化Le條nn睬ar哄d-J換on狡es責(zé)(辨12恢-6鑼)勢：誘導(dǎo)除偶極翁矩-誘導(dǎo)鍋偶極澡矩之白間相旗互作雪用Co辭ul茂om疼b勢：兩帶電閱粒子狼之間聞相互筑作用關(guān)于V(受R)正頻期移碰撞滑頻移報(bào)來自于碰撞棋對的鼻動能滾轉(zhuǎn)換動能殃減少負(fù)頻鏟移動能顛增加非彈析性碰委撞：導(dǎo)致昏（A,縣B)內(nèi)態(tài)容發(fā)生昏變化耳，例障如A原子俯激發(fā)火態(tài)Ei的淬朗滅消激含發(fā)的輩淬滅繭過程倦與自否發(fā)輻販射一查樣減精少發(fā)先光的偵激發(fā)圓態(tài)原子的嗽布居慘數(shù)（鴿淬滅標(biāo)碰撞超）非彈硬性碰懸撞導(dǎo)炮致加奧寬正于比于略壓力（壓力未加寬譯）但不朵產(chǎn)生享頻移彈性差碰撞迫：不改村變（A,上B)的內(nèi)罰態(tài)，躬但引刷起頻抹移些擾互相碰丘撞氣壓振子奮頻率旱變化振子磨相位誰變化碰撞合時間Li彈性雜碰撞繩既導(dǎo)均致加捆寬又產(chǎn)生膝頻移培：頻移門碰撞露截面展寬疼碰撞燥截面碰撞外頻移碰撞伶加寬頻移捷碰撞狼截面加寬猜碰撞挺截面彈性獵碰撞日：相互喉作用爸勢與只線移涉、線些寬的圣關(guān)系相移友可正歐（Ci>倦Ck）可梨負(fù)（Ci<千Ck），堂取決例于碰態(tài)撞伙自伴自覽旋和隨角動朝量的濟(jì)相對擦取向較。對b的貢粘獻(xiàn)主銀要來枯自小惕碰撞蜻參數(shù)馬的碰國撞，棍而大雅的碰至撞參洋數(shù)的易碰撞棚仍然伸對s貢獻(xiàn)感很大潔。即?。哼h(yuǎn)舌距離間的彈可性碰啄撞雖賣然不濟(jì)明顯找改變溜譜線曠的線蹤蝶寬，眉但仍祥然可欣有效逮改變疤譜線來中心王頻率睬位置抹。帶電援粒子續(xù)的相晝互作各用可諒用線抓性和鉗平方St惡ar湖k效應(yīng)赤描述畝。線盲性St沃ar苗k效應(yīng)竭僅影頸響加只寬，愁而平偽方St蒜ar利k效應(yīng)半也產(chǎn)毅生頻吼移。Di裙ck獅e窄化(R朱.H森.D異ic翻ke早,1落95劈燕3)H2O1871cm-1轉(zhuǎn)動線Dicke窄化壓力加寬現(xiàn)象艷：在紅隱外(I騙R)和微扔波(M捉W)區(qū)域繳，有苗時碰篩撞不團(tuán)是導(dǎo)染致加夢寬而糧是譜學(xué)線窄秧化(Di弟ck福e窄化)物理鎖：躍遷麥的上樣態(tài)壽南命>碰撞筒平均謝時間乒。頻黃繁的按彈性正碰撞電使得妄壽命擊內(nèi)平助均速氣度分波量變?nèi)谛。谝蚨鳧o更pp恩le憂r頻移冤變小番。如屢果平范均自荷由程<躍遷貢波長蒜，且Do另pp貫le兄r加寬養(yǎng)大于剝壓力悠加寬謀時，顫出現(xiàn)扎譜線糊變窄鍋。緩沖駁氣體碰撞邁也導(dǎo)裙致擴(kuò)淹散速須率增筒加，遺因而仙相互剃作用黨時間晴增長莫，渡陸越加僵寬相對減小資另散一類裝碰撞逝窄化教（偏如：扔氣泡Rb鐘）譜線界的碰勤撞窄珠化第3.丘4節(jié)舅渡越鏈加寬加寬薄的原嗚因：相互肺作用胖時間T槐<自發(fā)完輻射貴壽命sp物理黎模型友：有限尤時間T震蕩氣的諧難振子今或Ga糾us奮s光場次誘導(dǎo)閣偶極全子減小賢加寬門的途災(zāi)徑：增加孩相互戴作用赴時間vi炊a加大缸激光摸束直征徑or房誠/&減小毛原子島速度(e振.g災(zāi).激光偵冷卻)Fo題ur折ie宣r變換渡越透時間第3.鏟5節(jié)灑均勻襯與非敞均勻階加寬均勻怎加寬刮：所有動原子禁所輻億射（員或吸孤收）菠的線熱型（特壤定頻橋率的暈躍遷蠻幾率博分布耗）相同包括論：精自然責(zé)線寬廣、不朗改變層速度皺的彈撥性與窮非彈命性碰胃撞加女寬渡越久加寬準(zhǔn)、飽港和與吩功率革加寬固體值與液車體中場原子靜的輻瓶射譜融線的澤加寬非均私勻加畫寬：不同卸原子淡的輻喪射（墨或吸愁收）領(lǐng)線型興不一狀樣包括碌：Do跌pp賄le棵r加寬處、無Do鄙pp貫le瘦r譜中垃改變慕速度隙的碰嚼撞加擺寬（光余作用時討間>自由哥光譜潮程/平均擴(kuò)速度施）非均異勻功豬率加海寬（治光譜趕燒孔皇）固體黎與液脅體中協(xié)不均史勻環(huán)挽境雜村質(zhì)原鞋子輻撫射譜鮮線的估加寬第3.更6節(jié)襪飽和稿與功畢率加少寬加寬杰的原形因：光泵礎(chǔ)功率向遠(yuǎn)大得于弛符豫速千率，很引起捐上能少級粒始子數(shù)肚布居藏的飽出和物理恨模型1：二能箭級原核子(g1=g2=1宰)穩(wěn)態(tài)慶速率食方程漂白（無溪吸收灰）：s站,謝N灣坑0命,漲烈堤0無光膀泵的廈吸收脹系數(shù)頻率態(tài)依賴丘飽和盤參數(shù)中心災(zāi)頻率饅飽和踢參數(shù)無飽盞和效拒應(yīng)有飽誕和效惱應(yīng)飽和找光強(qiáng)創(chuàng)：其革增益稅為弱竟光條論件下案的1/鳳2S=叢11D[m]s[ns]IsL[mW/cm2]LiD20.67127.22.5NaD20.58916.36.3RbD20.78026.51.7CsD20.852311.1Ba0.5549.113.4物理蛾模型2：二能拋級原擾子與匹輻射額場的亡穩(wěn)態(tài)冤相互煎作用半經(jīng)朱典理哨論（單市原子立，均灘勻加隆寬）飽和凈參數(shù)激發(fā)干態(tài)的Ra撫bi能級菊分裂VS飽和徑增寬政比較兩峰單峰漂白vs強(qiáng)場勇驅(qū)動錘區(qū)別遷：漂白--踏-非相體干泵彎浦；旁強(qiáng)胖場共寸振驅(qū)嚼動--順-很Ra汁bi相干仿振蕩劍，泵浦袋－探蝦測：強(qiáng)場撈共振拐驅(qū)動關(guān)的二霸能級編原子情，出錦現(xiàn)布讀居調(diào)扣制，努因而糠