第10讲-第六章-无多普勒展宽光谱技术

第六章无多普勒展宽光谱技术1Laserspectroscopyanditsapplication1.掌握多普勒展宽的压缩原理；2.掌握准分子束光谱学技术，熟悉剩余多普勒效应的产生原因；3.了解快速离子束激光光谱压制多普勒展宽的原理；4.掌握饱和光谱学的高分辨原理；(本章的难点)5.熟悉饱和光谱技术和耦合跃迁饱和光谱技术；6.了解偏光光谱学技术及原理。7.了解无多普勒多光子光谱学本章教学要求原子、分子与物质结构的许多知识可以从光谱学的研究中获得，这就要求高灵敏度、高分辩光谱技术。光谱线型除自然线宽外，还有碰撞与多普勒展宽。因此，原子、分子与物质结构信息被各种加宽掩盖起来，光谱工作者也在为消除这些加宽而努力。实践证明：碰撞加宽可以通过低压气体谱线来弥补；压制或消除多普勒加宽要采用一些新的、特殊的高分辨光谱技术。3Laserspectroscopyanditsapplication概述尽管激光光谱的谱线很窄，但是其分辨率仍受样品分子的多普勒效应的限制。4如何克服多普勒效应这种限制而达到自然线宽范围？难以获得更多、更详尽的有关物质结构及物质和电磁场相互作用的知识。概述概述-多普勒展宽•多普勒展宽–原理：分子的热运动引起光子与分子碰撞的相对速度改变，称为多普勒效应–线宽：–半宽区间：108~1010Hz00vc00:::vc跃迁中心频率分子运动平均速度光速5概述-自然线宽•自然线宽–原理：受激态的自发衰变（或受激态的寿命）所引起的线宽，称为自然线宽–线宽：–半宽区间：原子105~107Hz分子10~103Hz12:受激态的寿命6概述-碰撞展宽•碰撞展宽-压力展宽–原理：分子的热运动引起分子与分子相互碰撞，称为碰撞展宽(压力展宽)–线宽：–半宽区间：3＊103∽3＊104Hz(＠133Pa)01c0:c两次碰撞的平均时间7概述-器壁碰撞展宽•器壁碰撞展宽–原理：粒子与器壁的碰撞引起的加宽，称为器壁碰撞展宽–线宽：–半宽区间：103~104Hz0/2vL0::vL分子运动平均速度容器直径8概述-渡越时间展宽•渡越时间展宽-飞行时间展宽–原理：粒子穿过光束所需时间引起的加宽称为渡越时间展宽，有时称为飞行时间展宽–线宽：–半宽区间：103~104Hz0v2a0::va分子运动平均速度光束直径9概述-功率展宽•功率展宽-饱和展宽–原理：大功率光束激励的高速率跃迁，称为功率展宽，或饱和展宽–线宽：–半宽区间：104∽105Hz(＠1mw/cm2)12EPh12:::PEh跃迁偶极矩激光强度普朗克常数10如何多普勒展宽的压缩•多普勒展宽的压缩Detector00ZKV显然，当光的传播方向和分子运动方向垂直时，则ω’=ω0，即可以消除多普勒展宽。11如何压缩或消除多普勒加宽？如何进行多普勒展宽的压缩•高分辨率光谱分为类–直接控制分子运动矢量。–利用基于原子和分子态的相干性，间接的获取某一类分子运动矢量的成分。12准直分子束光谱（控制分子运动矢量）准直分子束装置示意图13直接控制分子运动矢量准直分子束光谱•高分辨率激光光谱中所用的分子束大体分为两类第二类：超音速分子束第一类：喷管分子束14准直分子束光谱•分子束的准直率/2xzVCtgbdV实际上：C最小可到10-4，最大为0.1~0.215准直分子束光谱假设A和B的宽度和长度分别为s1，l1；s2，l2。n0为恒温室中的分子密度，V为分子运动速度。那么单位时间分子束的流速为：201122/4nVlslsd在喷管分子束中，为了获得很好的分子束，狭缝A的宽度最大值只能等于恒温室中分子的平均自由程。102n分子的有效半径分子的平均自由程准直分子束光谱从喷管分子束中缝宽的最大条件(s1=λ)可以得到：1012ans常数2max22/4aVlsd1013max1010atom/satom23实验中最大值可以达到；最小值有1010/s。注意：分子数密度很低(准分子束光谱的主要缺点)。为了提高射束中分子密度，又要满足约束条件，可采用多通道狭缝。102n剩余多普勒效应剩余多普勒效应产生的主要原因：原子或分子束分布并不是矩形、梯形、三角形激光束不可能完全垂直分子束激光本身存在一个发散角铯蒸汽分子激发谱铯蒸汽室中的激发谱准直分子束中铯的激发谱476.5nm泵浦激光波长为快速离子束激光光谱1976年，SKKaufman和WHWing提出分子或离子束同激光束共线传播的实验方式：U1U2加速致冷2201()2()4gku从源中发射出两个带电离子，热速度分别为：V10=0，V200。在外加电压U的作用下被加速：21112EeUmV2222021122EmVeUmV2222120VVV22120/2VVVVV1212VVV不存在外加电场，其速度分散范围为0~V20，加了外场电压，使其速度缩减为：1122220202084thVmEVVVeUeU如果eUΔEth，则初始速度分散量被缩减。优点：不但提高了分辨率，而且提高了灵敏度。甚至可采用外腔光谱技术，而且能有效的应用与光致电离分子离子。氧的光致电离过程的激光谱2OhOOO581.5nm泵浦激光波长为准直分子束消除多普勒效应小结准分子束光谱的实现方法：快速离子束光谱的实现方法：准分子束激光光谱的优缺点：分辨率高灵敏度低快速离子束光谱的优缺点：分辨率高灵敏度高稳定性差、适用范围窄本节作业•1、压缩多普勒效应有哪些方法？•2、解释准分子束光谱的工作原理？•3、比较准分子束光谱与等离子束光谱的优缺点并说明原因？•4、剩余多普勒效应有哪些来源？324)(2)(220g2201()2()4gku一个静止、孤立的受激原子的辐射线型为速度u运动的原子，相对静止坐标发射中心频率ω0´的多普勒频移：ω0´=ω0+k·u，其线型函数为：饱和吸收光谱技术Laserspectroscopyanditsapplication33原子的跃迁使上下能级的粒子数密度发生变化，当能量密度ρ(υ)=c·I(ω)的入射光使能级1上的粒子数变化为34Laserspectroscopyanditsapplication)()()(10101211NNRkugBNdtdNz能级1上的粒子数N1(uz)因受激吸收引起的减少弛豫又被重新布居RkugBuNuNzzz/)()(1)()(012011稳态情况弛豫速率01NNSzuupizzidueuNduuNpz2)/()(原子的速度分布遵从麦克斯韦分布，在uz~uz+duz间的第i能级上的分子数为35Laserspectroscopyanditsapplication(2kBT/m)1/2为在绝对温度T下原子的最可几速度)2/(2200112)2/()(1)()(TkmuzzzBzeukSuNuNS=B12·ρ/R为受激吸收速率与弛豫速率之比，称饱和参数()iizzNnuduTkmuukSuNuNBzzzz2exp)2/()(1)()(2220012类似地可以求出能级2上的粒子数表达式：36Laserspectroscopyanditsapplication布居数速度分布曲线N1(uz)的烧孔N2(uz)的凸峰Laserspectroscopyanditsapplication37012121201212012/1//1sBNNBRRNINIIcR2/10)1(S(1):在频率ω的单色光作用下，在N1(uz)的多普勒分布曲线上有一个以(ω0-ω)/k为中心的“烧孔”，称为贝纳特(Bennet)孔。孔的半宽度为γ(2):在N2(uz)的多普勒分布曲线上有个以(ω0-ω)/k为中心的凸峰，因为在从能级1跃迁到能级2时，原子的速度分量uz没有变化。38Laserspectroscopyanditsapplication自然线宽)()/(01212zukgBcN1212)(2121/ggNNN饱和吸收无多普勒光谱是通过测量布居数速度分布曲线上的贝纳特孔来实现的。原子吸收截面α12吸收系数与σ12的关系为39Laserspectroscopyanditsapplication能级的布居数差Laserspectroscopyanditsapplication400()()1S结论：饱和加宽下，多普勒线型下降了一个因子(1+S)1/2，并且与频率无关。当γΔωD(多普勒线宽)时，可得S=0时的吸收系数如何测量贝纳特孔？41Laserspectroscopyanditsapplication采用两束激光(一束泵浦波，另一束探测波):对吸收稀薄气体介质，可以通过在样品池的一端设置一反射镜，将入射进样品池上的波称为泵浦波，通过样品池后从反射镜反射回的称为探测波。设泵浦波为E0cos(ωt-k·z),从反射镜反射回的探测波的幅度与入射波相等：E0cos(ωt+k·z)。多普勒分布曲线ΔN(uz)上的两个贝纳特孔：分别位于uz=+(ω0-ω)/k和uz=-(ω0-ω)/k。调谐入射光频率ω接近布居数速度分布曲线的中心ω→ω0，两贝纳特孔在uz=0处相遇时饱和参数S增大了一倍，光对ΔN(uz=0)的消耗大于u0≠0的消耗，吸收曲线α(ω)上出现一个吸收系数减小的凹陷区，它与非均匀介质激光器的功率曲线上的凹陷一样，称为拉姆凹陷。拉姆凹陷不受多普勒效应影响，常称无多普勒(Doppler-free)凹陷。42Laserspectroscopyanditsapplication图6-2在双向传播的光场中的贝纳特孔(a)与拉姆凹陷(b)43Laserspectroscopyanditsapplication220200)2/()()2/(121)()(sssS]}/))(2[(lnexp{)(22000DAN44Laserspectroscopyanditsapplication经过计算可得吸收系数的表达式为拉姆凹陷Doppler线型拉姆凹陷位于吸收曲线α(ω)上的ω=ω0处，是两束光对同一群分子共同作用引起吸收饱和的结果。结论：①拉姆凹陷的线型为洛仑兹线型，半宽度为γs。②在ω=ω0中心处，αs(ω0)降低为αs(ω0)(1-S0)，而在离中心较远处则降低为αs(ω)(1-S0/2)。③当ω-ω0γ时，两束光对不同群分子起饱和作用，就跑出了凹陷区。45Laserspectroscopyanditsapplication2.1腔内饱和吸收光谱技术将分子吸收池放进激光谐振腔内，调谐激光频率，腔内的驻波激光场使分子饱和吸收的两束相反方向的光场。对激光腔来说，吸收体是腔的附加损耗，它使激光输出功率减小，当激光频率调谐到吸收线的中心时，样品的吸收系数减小，激光器的输出突然增加。2几种实验技术Laserspectroscopyanditsapplication46Laserspectroscopyanditsapplication47图6-3腔外式饱和吸收光谱装置2.2腔外饱和吸收光谱技术2.3强度内调制光谱技术为了检测方便，泵浦光和探测光不是严格反向的，它们之间有一个小小的夹角，产生一定的剩余多普勒展宽。为了解决这个问题，Sorem和Schawlow提出了内调制荧光技术：将一束单模染料激光分成两束等强度激光，它们以反向共线的方式通过样品池，另外在样品池的侧面用透镜L收集样品分子发射的总荧光，取代原来对透射探测光的光强的检测。Laserspectroscopyanditsapplication48Laserspectroscopyanditsapplicati