第十二章 相干光谱.ppt

1、自由讨论： 1，什么是拍频？ 2，什么是粒子数的相干转移? 3，什么是纵向驰豫时间，什么是横向驰豫时间？ 4，有哪些物理量的相干？ 5，什么是弹性碰撞，什么是非弹性碰撞？什么是绝热过程，什么是非绝热过程,第十二章 相干光谱,能级交叉光谱 量子拍频 波包的激发和探测 光子回波 外差光谱 相关光谱,1， 相干激发： 波函数的振幅与位相（密度矩阵非对角元） 2，非相干激发： 粒子数密度（密度矩阵对角元）,相干：是波函数的基本性质，描述波函数的相干和关联（用干涉可见度描述） 1，单个原子分子不同内态相干激发（原子内态相干） 2，不同跃迁通道之间的相干 3，原子系综中不同原子同一个内态相干激发（原子之间

2、相干）,相干种类（位相差）,相张相干：震荡幅度增大，相位差为 幅度最大（同相）,激发,相消相干：震荡幅度减小，相位差为 幅度为0 （反相）,相干种类（相干物理量）,1，时间相干（原因：激光有线宽）：波函数和它本身延迟时间T后的相关,.,当激光单一频率，,当激光有一定线宽，有一断时间，同相位，另外一段时间，相位相反,2，空间相干：波函数在空间上分开的两点，在一段时间内相干,3，频率相干：不同频率的波函数，如果相位差恒定，则能发生干涉，形成一脉冲光，且 如果两波函数不相干，则形成时间连续光，且幅度和相位随机波动。,不同频率波函数相干，形成脉冲,不同频率波函数不相干，形成时间上连续的光。,4，偏振相

3、干：偏振方向恒定，偏振位相差恒定。,1，纵向弛豫时间T1(或 )： 粒子数衰减时间 （由于自发辐射或者非弹性碰撞） 2，横向弛豫时间T2： 解相时间，一般而言T2T1,当激发关闭后，原子体系发生驰豫,解相碰撞： 不同速度原子Doppler 频移,粒子数转移,1，非绝热转移 （Raman脉冲）,脉冲（粒子数反转）,Thesis, schreck,Pulse,25 us ?,2，绝热转移 (1)能级反交叉(anticrossing, avoided crossing),非绝热本征态，B=0时，两态能量差,绝热本征态，为H(B)的本征态。,绝热扫描磁场，可以实现粒子数反转,e态和N个光子,g态和N+

4、1个光子,(2)绝热扫描射频频率，可以实现粒子数反转,不同能级发生Zeeman分裂,简并态之间发生交叉,能级交叉（Hanle 效应）：在外电场或者磁场影响下，相干激发的激发态能级交叉，这些交叉能级发出的荧光为能级交叉光谱。,例如,12.1节，能级交叉光谱,Hanle 效应的经典模型,激发光：y方向偏振，x方向传播。在y方向探测 磁场：z方向,原子和磁场相互作用Rabi频率,Hanle 信号（荧光）,偏振片和x方向夹角,线宽,利用线宽可以用来探测,磁场中的原子在偏振光激发下，偏振受磁场调制，导致最后探测的光强也受磁场调制,如果另外一个探测器的偏振和y轴相交,信号增大1倍，而且可以消除背景,Han

5、le 效应的量子模型,1，2能级间激发，2，3能级间发出荧光,激发态2在B=0条件下，有k度简并,例如,磁场,泵浦光偏振在x-y平面,x偏振方向的光泵浦,y偏振方向的光泵浦,Zeeman能级分裂,激发后的波函数由x和y方向偏振分量组成，分量权重由磁场B确定,如果在x偏振方向探测,对时间进行积分,经典模型导出结果,一致,受激能级交叉吸收光谱,没有外部磁场时,线偏振光激发,非饱和吸收系数,共振饱和参数,有外部磁场，且与偏振方向垂直，激发光分解为,Lamb dip,Lamb dip,有外部磁场和没有外部磁场的吸收系数差,1，能级分裂对吸收的影响只发生在饱和参数S不等于0情况，当S=0,能级分裂消失

6、2，在 处，吸收系数最大Lamb dip,Taylor展开,第10.2节 量子拍频光谱,原理： 原子分子的多个上能级在相干光激发后，波函数按固定位相关系演化，总荧光谱出现量子拍频。,相干激发(激发光脉宽小于能量差脉冲Fourier展开大于能级差)：,含时演化：,k态驰豫,1，原理,所有k态发出荧光总和,偏振矢量,耦极矩,两跃迁幅度之和再平均量子相干,量子拍频辐射谱：激发态被相干激发，再相干辐射荧光,量子拍频吸收谱：基态被相干制备，再相干吸收,由于量子拍频谱没有doppler展宽，可以用来研究Zeeman，Stark效应和超精细结构,2，原两种量子拍频谱,第10.3节 波包的激发和探测,量子拍频

7、只能探测波包的时间演化，不能探测波包的空间分布。,将原子相干激发到Rydberg态,径向分布,角向分布（球谐函数）,相位时间演化,1，原子被泵浦到Rydberg态 2，探测光进行电离探测： r小容易电离：原子核可以带走反冲动量保 持动能、动量守恒 r大不容易电离：处于Rydberg态的原子相当 于自由电子，不容易吸收光子。 3，电离信号大时，对应电子离核近 4，Pump Probe中，探测到大的电离 信号的时间对于于电子轨道运动周 期的倍数（电子轨道运动一个周期，就接近原子核一次）,第10.4节 光子回波,N个原子被激发到2态后发出荧光,如果原子是非相干激发：原子之间相位随机，交叉项平均后为0

8、，最后只是强度叠加,如果原子是相干激发：原子之间固定相位,相干激发的荧光是非相干激发荧光的N倍超辐射,1，超辐射,2，光子回声,赝偏振矢量,在光场相互作用下,光幅度,原子偏振,失谐量,粒子数差,原子处于基态，且相位无关，,脉冲,同位相,自由驰豫相位无关,脉冲,同位相,形成宏观极化子，发生超辐射光子回声,脉冲宽度,第10.5节 外差光谱,原理： 两个频率稳定且相差较小 （RF、MW）的激光分别锁定在分子的两个能级跃迁上。直接测量差频得到能级间隔。,对单一频率信号强度进行f频率的 调制，出现两个边带,当两激光频率相差较小时，可以直接探测,当两激光频率相差较大时，可以与一微波频率差频,referen

9、ce,本征频率,两边带,第10.6 相关光谱,相关原理：输入光和输出光间的关联,一，原理,1，对于光,产生光电子几率,光电流,t时间发出一个光电子，并且 也发出一个光电子的几率,2，对于光电流（经过探测器之后）,光电流关联函数,影响因素： 1，产生光电流过程的统计性质 2，入射光本省的统计性质,探测器功率关联函数（光电流关联函数的Fourier变换）,例如,入射光,探测器功率光谱,Shot noise,Lorenzian线型,二，小颗粒散射光的相关光谱,可以研究小颗粒的大小、结构和运动,1，随机分布的静态散射（相关函数时间无关）,2，球形小颗粒以速度v运动,入射光和散射光波矢差,3，球形小颗粒扩散,三，内差的相关光谱,由于激光本身线宽、散射颗粒速度不一样，同一束激光内部不同光谱成分间相关,探测小颗粒的运动速度,方法1：Spectrum analyzer,方法2：相关器,运动速度v对于不同的波矢差q，从而有不同的频率,探测nm小颗粒的大小,散射光的强度取决于散射颗粒的大小和折射率