激光光谱-01-吸收与发射、线宽与线形

激光光谱左都罗徐业斌郭连波zuoduluo@；xu-ye-bin@163.com；lbguo@1基本要求成绩构成20%平时成绩（作业、签到）80%考试成绩基本要求进入课堂，希望能保持对课程内容的兴趣批判性思维。客观规律；科技文献的表述是尽量接近，但很难完全一致；教师的讲授亦可能存在各种欠缺有疑问，随时提出23第1讲课程简介吸收与发射

线宽与线形-W.Demtroder,LaserSpectroscopy,Ch2,Ch34概要课程简介光的吸收与发射热辐射、Planck定律、Einstein系数吸收谱与发射谱，原子分子光谱的基本特征跃迁几率偏振、相干线宽与线形自然展宽、Doppler展宽、碰撞展宽、饱和展宽均匀展宽与非均匀展宽51.课程简介–基本概念光谱(spectrum,spectra)：光辐射的频谱分布；关于光辐射频谱分布的科学，如原子分子光谱，红外光谱光谱学、光谱技术(spectroscopy)：与频谱相关的光与物质相互作用的学问；获得光辐射频谱分布的方法经典光谱学：自牛顿开始，至量子力学诞生前现代光谱学：基于量子力学基础的光谱理论，采用激光的探测方法（激光光谱学）6经典光谱学–牛顿棱镜分色E.V.Shpol’skii,acenturyofspectrumanalysis,SovietPhysicsUspekhi,2(6),pp.958-973,19607棱镜分色Spectroscopy,wikipedia;D-Kuru/WikimediaCommons8太阳谱暗线，火焰线状发射谱Wollaston,1802在棱镜前设置狭缝：太阳谱中有几条黑线，其后被称作Fraunhofer线；烛光火焰内部的光谱:5条明亮的谱线，谱线间为暗区，首次观测到火焰的线状发射谱。15年后，Fraunhofer对这两个发现进行了系统的研究实验方法的显著改善：用安装在经纬仪上的望远镜进行观测。烛光，发出两条相邻的明亮黄线.太阳谱B–H之间，754条暗线，其中350条得到精确测量。在橙和黄之间，D，双暗线，与烛光中双亮线一致。高质量的光学系统、丝线光栅、刻线光栅(密度321g/mm)：暗线位置精确化9太阳黑线–Fraunhoferlines10光谱分析实验KirchhoffandBunsen,1860碱金属：锂、纳、钾碱土金属：钙、锶、钡两种新碱金属元素（铷Rb和铯Cs）发现：光谱分析对地球分析化学的重要性11现代光谱：量子力学与激光技术氢原子光谱：Balmer,1881;Rydberg,1890.原子轨道理论：Bohr1913.原子与分子光谱激光，激光光谱激光光谱应用12现代光谱学–激光光谱T.H.Maiman,1960.第一台激光器，红宝石激光器，694nm。现代光谱学时代。初期，激光器不可调谐，最早的研究，激光介质本身，以及碰巧重合的谱线，或者Stark分裂、Zeeman分裂调谐的谱线。可调谐激光器（如染料激光器）极大地扩展了测量的范围。激光，导致了高灵敏度和超高分辨光谱的诞生。饱和吸收光谱，原子、分子光谱的亚多普勒分辨率；无多普勒双光子共振；原子束，消多普勒短脉冲激光，时域光谱。强激光，非线性光学：相干Raman散射等。13激光光谱应用：化学分析化学：检测灵敏度10-9–10-12单分子探测同位素分离：选择激发、多光子电离激光化学：激光诱导化学反应，控制化学反应142.光的吸收与发射热平衡辐射（黑体辐射）辐射模式热平衡–Planck定律辐射体的热平衡–Einstein系数吸收谱与发射谱，原子分子光谱的基本特征跃迁几率偏振、相干15腔模电磁波的一般表示形式在空腔内，波矢应满足确定的1组(nx,ny,nz)，8个行波，1组驻波：本征振荡，模，模密度16黑体辐射，Planck定律从辐射场考察热平衡时，每一个模的能量为kT，则黑体辐射的能量密度为Rayleigh-Jeans定律，高频发散。量子化假设，Planck定律17吸收，自发发射与受激发射Einstein系数从辐射源考察。吸收速率受激发射速率自发发射速率平衡体系：吸收与发射平衡，辐射源(原子或分子)热平衡自发发射速率与模式中包含一个光子的受激发射几率相当；自发发射速率与频率的3次方成正比。18吸收光谱19原子发射光谱20分子发射光谱21氢原子光谱Balmer总结了一个线系的规律，Rydberg等人将它扩展到氢原子的其它谱线。

22氢原子电子运动的径向分布23氢原子电子运动的角度分布分节面,或者节点(Nodalsurfaces,ornodes)角量子数/磁量子数与角动量的关系24角动量25电子自旋和核自旋角动量电子自旋，来源于量子力学的Dirac相对论方程（保持相对论方程空间微分和时间微分的对称性），量子数为1/2；质子或中子的自旋量子数同样为1/2，但原子核的自旋量子数决定于它包含的核子数，可为整数，也可为半整数。整数自旋–交换对称波函数；分数自旋，交换反对称波函数。26氢原子的能级电子与QED真空（量子化辐射的基态）的作用，产生移位和分裂。Lambshift精细结构finestructure超精细结构射电天文观测谱线27多粒子体系的Hamiltonian量28Born-Oppenhermer近似B-O近似：假设原子核的运动（振动）比电子的运动慢很多，因此在考察电子运动的波函数和能量时只须把核坐标当作一个参量。B-O近似，是将分子运动分解为转动、振动、电子运动的基础。29刚性转子刚性转子近似：分子的原子核之间，由刚性的、无质量的棒相连。除核自旋之外的所有角动量(原子核转动、电子轨、以及电子自旋)，用J表示。刚性转子能量的量子化：30谐振子Hamiltonian方程求解Hermitepolynomials31谐振子能级与振子质心几率分布能量：零点能，等间距能级振子波函数：在抛物线之外，也有振子的可几分布随量子数增大，最可几分布越靠近经典的抛物线32跃迁选择定则跃迁选择定则的关键是对称性。电子能级之间的跃迁主量子数n：无约束角动量及其分量的量子数：0,1振动能级之间的跃迁不同电子态的振动能级之间：无约束，大小正比于重叠积分（Frank-Condon原理）同一电子能级内的振动能级之间：要求分子具有固有电偶极矩；振动量子数v变化1转动能级之间的跃迁同一电子能级内的转动能级之间：要求分子具有固有电偶极矩转动量子数变化1（但拉曼散射，双光子，变化0，或者2）33跃迁的半经典描述：基本方程光场：经典电磁波；原子：量子力学。相互作用势–偶极矩近似：原子尺度远小于波长，光场的空间变化可忽略不计。34两能级系统的基本方程Rabifrequency35弱场近似弱场作用下，分子体系仅发生微弱改变，可认为a1,b0.和频项被忽略36Einstein系数的导出与跃迁频率无关电偶极矩子能级|im>的粒子数只占初始能级|i>的1/gi37驰豫的引入38与强场的相互作用一个振幅A0光场与分子体系作用T时间，正好将原处于下能级的粒子，全部转移到上能级。跃迁速率不再与光强成正比。39与强场的相互作用Lorentzian线型，线宽随光强的增大而增宽–饱和展宽40偏振光的定义直角坐标分解，不同方向相位不相关，或者相位差随机涨落，为非偏振光，否则为偏振光。线偏光(相位差为0)，园偏光(振幅相等，相位差90)琼斯向量和矩阵41偏振与光子自旋角动量量子场论结果：光子自旋量子数为1，分量Jz仅有两个本征值，h/2。对应的本征矢为左旋和右旋园偏光，线性偏振是这两种偏振的叠加。E-Karimi/wikipedia/wiki/Spin_angular_momentum_of_lightSWeinberg,Thequantumtheoryoffields,Vol.1,CambridgeUniversityPress42光子自旋：无质量粒子的自旋田贵花，对光子及其角动量概念的一些评注和探讨，应用物理，2014,4,176-18043Jones向量，Jones矩阵右旋左旋右旋的表示，与含时角频率的符号有关。右旋定义为大拇指指向光源44径向偏振与角向偏振与线偏振、圆偏振的关系？局域光场，广域光场；广域光场才是光子自旋角动量的本征态？45相干性时间相干性空间相干性相干体积相干度46时间相干性：相干长度波列中相距一定长度的2个点的所有子波均具有稳定的相位差，该长度的最大值为该波列的相干长度。47空间相干性相干面积相干面积与衍射极限发散角对应48相干体积相干面积与相干长度的乘积.光谱照度L的光源，入射到相干体积中的光子数密度：黑体辐射源，入射到相干体积中的光子数密度：相干体积中的光子数与一个模式中的光子数相等：相干体积与光辐射的模体积相当模体积中的光子数(同一模式有确定的偏振)49相关函数与相干度50线宽与线型51衰减振子，自然展宽Lorentzianprofile52吸收，色散关系53Doppler展宽I54Doppler展宽IIDoppler频移；热运动，速度Boltzman分布；Doppler展宽，高斯线型。55Lorentzian线型与Gaussian线型的比较56综合加宽自发发射寿命等因素，速度v的粒子发射或吸收的辐射也有一定的自然线宽。Voigt线型：Lorentzian线型与高斯线型的卷积。57碰撞展宽非弹性碰撞，淬灭碰撞，谱线展宽；弹性碰撞，相位扰动碰撞，谱线位移58谱线的碰撞压缩上能级有较长的寿命；碰撞减慢了粒子的热运动速度：减小Doppler展宽，压缩线宽。一般出现在红外或微波波段：基电子能级的振动态，长寿命；辐射波长大于平均自由程。59均匀加宽与非均匀加宽均匀加宽：对所有粒子的影响相同。如自然展宽，碰撞加宽；非均匀加宽：如Doppler加宽。若碰撞加宽产生速度的改变，也可以产生非均匀加宽。60饱和展宽饱和参数：吸收功率：泵浦速率与驰豫速率的比值.61小结光的基本特性粒子性：光子能量、动量、自旋角动量、轨道角动量波动性：频率，波长，偏振，相干性热平衡辐射–黑体辐射自发辐射速率=模式中含有1个光子的受激辐射速率模体积=相干体积原子、分子光谱的基本特征原子光谱：谱线分子光谱：谱带，带，支，支线线宽与线型自然展宽，Doppler展宽，压力展宽，饱和展宽均匀展宽，非均匀展宽Lorentzian线型，Gauss线型，Voigt线型62延伸阅读J.M.Hollas,ModernSpectroscopy,4thEd.,JohnWiley&Son