激光知识笔记

1、激光知识笔记光谱学是研究物质和电磁波相互作用的科学。光谱研究使人类获得了大量有关原子和分子结构方面的知识。利用电磁辐射和物质相互作用时所观察的吸收光谱和发射光谱从多方面向人们提供了有关分子结构与周期环境相互作用的信息。光谱学的发展可以分为两大阶段，它们的时间分界线为20世纪60年代激光问世之前和以后。从1666年牛顿光谱到1960年美国人梅曼做成红宝石激光器之前，常规光谱学。这种光谱学现在仍然是研究物质结构和成分的有力工具。光谱定性、定量分析在化学研究、科学技术以及工业生产等方面都占有一定的地位。1905年，爱因斯坦提出了受激辐射理论1960年，美国休斯公司年轻的科学家梅曼进一步将这一理论应用

2、于光学领 域，发明 了世界上第一台脉冲红宝石激光器；1961年，第一台连续波气体激光器一氦氖激光器问世。1961年，长春光机所研制出我国第一台红宝石激光器。1964年，成立上海光机所。激光技术包括激光器技术与激光应用技术1.原子光谱和分子光谱-出自百度搜索光谱按照参与光谱形成的物质结构可以分为原子光谱和分子光谱。按照产生机理可以分为发射光谱和吸收光谱。可见，原子光谱既有发射谱也有吸收谱，分子光谱也既有发射谱也有吸收谱。你所说的明线光谱，只是发射光谱的一种，是指谱线锐利的发射光谱。不能简单的说明线光谱和吸收光谱都是原子光谱。 原子受热激发后，形成特征谱线，也就是光谱特定波长位置上的亮线，这叫发射

3、谱。同样，能发出就能吸收，这特定波长的电磁波通过含有此种原子的气体，会被吸收掉，表现为光谱上这个位置的暗线，这叫吸收谱。太阳光谱就是典型的吸收谱，存在暗线，比如著名的D线，通过比较，D线恰在钠元素的特征谱线的位置，由此，可以知道太阳大气中含有钠元素。原子光谱，是由原子中的电子在能量变化时所发射或吸收的一系列光所组成的光谱。原子吸收光子组成吸收光谱，为明亮彩色条纹；发射光子时则组成发射光谱，为暗淡条纹。两种光谱都不是连续的，且吸收光谱条纹可与发射光谱一一对应，反之则不行。各种原子吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条亮线相对应每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此，明线光

4、谱的谱线叫做原子的特征谱线利用原子的特征谱线可以鉴别物质和研究原子的结构氢原子光谱：指的是氢原子内之电子在不同能阶跃迁时所发射或吸收不同波长、能量之光子而得到的光谱。氢原子光谱为不连续的线光谱，自无线电波、微波、红外光、可见光、到紫外光区段都有可能有其谱线。吸收光谱。具有连续谱的光波通过物质样品时，处于基态的样品原子或分子将吸收特定波长的光而跃迁到激发态，于是在连续谱的背景上出现相应的暗线或暗带，称为吸收光谱。每种原子或分子都有反映其能级结构的标识吸收光谱。研究吸收光谱的特征和规律是了解原子和分子内部结构的重要手段。吸收光谱首先由J.V.夫琅和费在太阳光谱中发现（称夫琅和费线），并据此确定了太

5、阳所含的某些元素。2()气体分子吸收截面（cm2/molecule）- 表示分子所有吸收线的吸收截面积（自己这么认为）吸收截面是分子中吸收光子的有关电子跃迁部分的面积。面积大，容易被光子击中，吸收能力亦大94。气体吸收中常用吸收截面表示被测气体的吸收能力。(天津大学 张学典 2005年天津大学博士论文 p19)1.激光的横模和纵模 出处：百度搜索模式:能够存在于腔内的主播（以某一波矢K为标志）成为电磁波的模式或光波模。（1）纵模在激光器中只有增益介质增益谱宽范围内的光才可以得到放大输出。在光学谐振腔中为了使光能稳定存在，必须要满足驻波条件，满足驻波条件的波长=2nl/q，n为折射率，l为谐振腔

6、长，q为整数。满足谐振条件沿轴线纵向方向形成的驻波场即为谐振腔的本征模式，通常把该本征模式称为谐振腔的纵模，由于q的取值不受限制，所以初始纵模数很多。 纵模的频率只有落在增益介质的增益谱宽范围内才可以得到放大。设增益谱范围为x1到x2，则只有满足条件x12nl/q ，才能保证在频谱图上不重序，即保证腔长与模的波长（或频率）之间是一一对应关系。自由光谱范围还可用腔长的变化量来描述，即腔长变化量为/4时所对应的扫描范围，因为光在共焦腔内呈x型，四倍路程的光程差正好等于，干涉序数改变1。另外，还可看出，当满足 条件后，如果外加电压足够大，可使腔长的变化量是/4的i倍时，那么将会扫描i个干涉序，激光器

7、的所有模将周期性地重复出现在干涉序k,k+1,，k+(i-1)中，如图8所示。 图8 展现出多个干涉序2.精细常数精细常数F是用来表征扫描干涉仪分辨本领高低的参数，它的定义是：自由光谱范围与最小分辨率限宽度之比，即在自由光谱范围内能分辨的最多的谱线数目，根据精细常数定义 （11）其中 就是干涉仪所能分辨出的最小波长差，我们用仪器测出的一个模的宽度代替，从展开的频谱图中我们可以测定出F值的大小，精细常数的理论公式为 （12）R为凹面镜的反射率，从式（12）看，F只与镜片的反射率有关，实际上还与共焦腔的调整精度、镜片加工精度、干涉仪的入射和出射光孔的大小及使用时的准直精度等因素有关。因此精细常数的

8、实际值应由实验来确定。二、实验装置及功能说明 图9 实验装置示意图1.激光电源为He-Ne激光管，连线时需注意，激光管内与铝筒相连的引出端为阴极，应与激光电源的负极（黑色插座）相接。正极与阳极相接（红色插座）。切勿接反，否则会损坏激光管！2.全反镜、输出镜为激光器的两腔镜，通过仔细调节（方法见调腔说明书），使激光器出光。3.F-P干涉仪：使激光器的各个不同的模按频率展开，透射光中心波长为632.8nm，自由光谱范围为2500MHZ。4.光电探头：内置光电二极管，将扫描F-P干涉仪输出的光信号转换成电信号。5.F-P扫描干涉仪控制器：内含锯齿波发生器，锯齿波电压除了加到扫描干涉仪的压电陶瓷环上外

9、，还同时输送到示波器的X轴上作同步扫描，锯齿波电压幅度可调。为了便于观察，使某个干涉的中心波长在频谱图中的位置移动，从而使每个干涉序中全部频谱能完整地展现在示波器上，所以增加了一个直流偏置电源，用以改变对腔扫描幅度的起点。探测器电源为光电探头提供直流工作电压。并将光电探头接收到的电信号送入内置的放大器。经放大后的电信号由信号输出端送到示波器的y轴。6.示波器：用于显示经扫描和放大后的He-Ne激光器的频谱图。总之，本实验装置的工作原理是，用压电陶瓷环驱动扫描干涉仪的一个反射镜片，使该镜片在轴线方向上作微小的周期性振动，从而使各个激光模式依次通过干涉仪，由光电探头把接收到的光信号转换成电信号，经

10、放大将该信号送到示波器的y轴输入端；同时将改变腔长的锯齿波电压送到示波器的x轴输入端。这时，示波器的横向座标就是干涉仪的频率变化，从而示波器的荧屏上即显示出透过干涉仪的激光模式频谱，如图10所示。图10 示波器上显示的激光模谱由于 正比于干涉仪的自由光谱区 ， 正比于激光器相邻纵模的频率间隔 。当存在主阶横模时，可在基模TEM00q旁边看到（如图10中的TEM00q模）， 正比于 ，00（即基模TEM00q和高阶横模TEMmnq的频率间隔）。由实验测出 、 、 ，就可以通过计算得出相对应的频率间隔。三、实验内容与步骤1.按装置图连接线路，经检查无误后，方可接通。2.开启激光器。注意激光管内与铝

11、筒相连的电极为阴极，与激光电源的负极（黑色插座）相连接，不能接反。3.使被测激光束射向干涉仪的中心，用目视观察干涉仪内的光斑。因为在未加扫描电压时干涉仪的初始腔长未必恰好与激光器的谱线谐振，所以有时看不到光斑，这时可加上锯齿波电压。若看到两个光斑，说明激光束与干涉仪尚未准直，旋转干涉仪支架上的两个调节旋钮，使两个光斑重合，则激光束与干涉仪已基本准直。此时即可装上光电探头，让出射光斑射入光电探头的小孔内，就可通过示波器来观测所展现的频谱图。进一步细调干涉仪支架上的两个方位调节旋钮，使谱线尽量强，噪声最小。4.改变锯齿波输出的电压幅度，观察示波器上干涉序的数目有何变化。5.根据干涉序个数和频谱的周

12、期性，确定哪些模属于同一K序。6.为了测量不同模式的频率间隔，必须首先对示波器的x轴进行定标（即确定标尺：x轴上每厘米代表的频率间隔值），具体做法是：根据自由光谱范围 的定义及已知的频率差值，在示波器的x轴上找出与之相对应的两条谱线及两条线间的距离值，即可算出标尺了。在确定标尺时，为了减小误差，必须适当增大示波器x轴的增益，即减小标尺的数值。7.在同一干涉序K内观测，根据纵模定义对照频谱特征，确定纵模的个数，并测出纵模频率间隔 ，与理论值比较，检查辨认和测量的值是否正确。8.根据定义，测量扫描干涉仪的精细常数F，为了提高测量的准确度，需再加大示波器的x轴增益，此时可利用经过计算后已知的最靠近的

13、模间隔值重新定标，即重新确定每厘米代表的频率间隔。9.分析判断是否存在高阶横模，估计共阶次，并与远场光斑加以比较。 4.一、 分子的运动形式 在一个由大量微观粒子构成的宏观体系中，每个微观粒子都在不停地运动着。例如气体，其中的任意一个分子不仅作为整体能在容器中自由运动，通常称这种运动为外部运动，而且分子的内部也在不停地运动着，这种内部运动包括分子的转动、振动、电子运动和核运动等。按照这些运动形式随温度变化的特征，可将它们分为两类：一类是分子的平动、转动和振动，这类运动的能量随温度的升降而增减，称为热运动；另一类是原子内的电子运动和核运动，它们在一般温度范围内的能量不随温度升降而改变，称为非热运

14、动。但这样的分类并不是绝对的，有些物质如NO，其电子易受热激发，以致在通常温度下电子运动的能量是随温度升降而增减的。因此NO的电子运动应属于热运动。物质的热力学性质主要取决于分子的热运动。 单原子分子的热运动只有平动运动，而没有转动和振动运动；固体中的粒子没有平动运动，主要是振动、电子和核运动；而液体与固体相比，又增加了转动运动；气体又比液体增加了平动运动。 严格说，分子的各种运动形式是彼此相关的，特别是转动和振动之间。但为了简便起见，我们将这些运动近似看作是相互独立的；于是一个分子的热运动能h可表示为h = t + r + v (6-10)式中t、r、v分别表示分子的平动能、转动能和振动能。

15、 根据量子力学理论，微观粒子运动的能量都是量子化的，亦即微观粒子的能量只能取某些特定的数值，通常称为能级。任何微观粒子都具有若干个可能的能级，其中最低的能级称为基态，其余的都称为激发态。粒子所处的不同的运动状态称为量子态。当有两个以上的量子态具有相同的能量时，相应的能级称为简并能级，它所包括的量子态数称为该能级的简并度，用符号g表示。粒子只能吸收或释放某种固定数量的能量来改变自己的运动状态，相应地表现为在不连续的量子态或能级间激发或跃迁，而决不能具有能级之间的任意能量。能级和简并度均由量子数来表征，它们之间的关系可用量子力学原理导出，在此仅作概要介绍。 二、平动能级 一个质量为m的粒子在边长为

16、a，b，c的矩形箱中作平动运动，可导出其平动能t为 (6-11)式中nx，ny，nz分别为x，y，z轴方向的平动量子数，它们只能取正整数值1，2，3，nx，ny，nz不同数值的组合即代表不同的量子态；h为Plank常数。如果粒子的运动空间是一个体积为V的立方箱，即a=b=c，则上式变为(6-12)此式表明，平动能级是不连续的，它只能随平动量子数的改变作跳跃变化，其间隔决定于平动粒子的质量和体系的体积，质量和体积越大，间隔越小。当nx=ny=nz=1时，对应平动的基态能级，其值为t=3h2/(8mV2/3)，基态能级只包括一种量子态，所以其简并度为gt=1，我们称这个能级是非简并的；高一能级包括

17、三种不同的量子态，即(nx,ny,nz)的取值可分别为(2,1,1)、(1,2,1)和(1,1,2)，对应的分子平动能级则皆为t= 6h2/(8mV2/3)，因此该平动能级的简并度为gt=3。各能级的能量值是相对的，只有指定了基态的能量值才能确定其他能级的能值。基态的能量称零点能。显然，若选择不同的零点能，则所有其他能级的能值将随之改变。三、转动能级设双原子分子的两原子间距为r，两原子的质量分别为m1和m2，并视其为线型刚性转子，则可导出其转动能为(6-13)式中J为转动量子数，其取值只能是正整数0，1，2，.,I=r2,I为转动惯量，是转动的折合质量，=m1m2/(m1+m2)。由式（6-1

18、3）知，转动能级也是不连续的，转动惯量愈大，能级间隔愈小。不同的J值对应着不同的转动能级。对于每一个了值，由于转动角动量在空间的取向也是量子化的，它在空间可以有(2J+1)个不同的取向方位，代表(2J+1)个不同的转动量子态，因此转动能级是简并的，其简并度gr=2J+1。四、振动能级量子力学给出的单维简谐振子的振动能v为v = (u + 1/2)hv (6-14)式中u为振动量子数，其值只能取0，1，2，等整数，v为简谐振动的频率。上式表明，振动能级也是不连续的，振动频率愈小；能级间隔愈小。当u=0时，v = 1/2hv，此为振动能级的零点能。振动能级是非简并的，即gv=1。五、电子运动能级和核运动能级对于分子中的电子能级，没有统一的公式，必须根据各别分子的光谱实验结果进行具 体分析。大多数分子的电子能级间隔很