第3章讲义多普勒线宽限制的激光光谱_772408389
激光原理 讲义
第一章 光学谐振腔理论光学谐振腔是激光器不可缺少的组成部分。
它的作用是提供激光振荡所必需的负反馈，选择振荡模式，并且为激光输出腔外提供一定的耦合。
本章主要研究开放式光腔。
这类光学谐振腔通常由线度有限的两面光学反射镜相距一段距离共轴放置而形成。
与微波波段的封闭式谐振腔相比较，光学开腔敞开了侧面边界，以降低振荡的本征模式数目。
两面反射镜之间的轴向距离，称为腔长。
腔长远大于波长，也远大于反射镜的线度，一般为厘米或米的量级。
一面反射镜的反射率尽量接近１，以减小能量的损失，另一方面反射镜具有适当的透过率，以便能够输出一定的能量。
对于开腔式光腔的处理方法主要有两种，一种是建立在衍射理论基础上的，另一种是建立在几何理论基础上的。
为了对谐振腔理论有个较全面的理解，本章对那些不能用几何光学理论研究的谐振腔，则以方形对称共焦腔为例，采用衍射理论进行研究讨论，对于两面球面腔等，采用几何光学理论的处理方法，其中包括一些等效方法。
第一节 光学谐振腔概论如图1－1所示，考虑一个长、宽、高分别为l b a ,,矩形谐振腔中的本征模式，麦克斯韦方程的本征解的电场分量为：t i z t i y t i x p n m p n m p n m e z l p y b n x a m E t z y x E e z l p y b n x a m E t z y x E e z lp y b n x a m E t z y x E ,,,,,,sin cos sin ),,,(sin sin cos ),,,(cos sin sin ),,,(000ωωωπππππππππ---⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛= （1.1－1） 其中波矢z z y y x x e k e k e k k ++=，lp k b n k a m k z y x /,/,/πππ===（ ,3,2,1,0,,=p n m ），谐振角频率： ()()()222,,////l p b n a m ck c p n m πππω++== （1.1－2）（1．1．1）式表明在x ，y ，z 三个方向上，每一个本征模式的空间分布都是稳定的驻波分布，任意（m ，n ，p ）表征一种空间驻波分布。
激光原理第三讲
图(1-16) 发光原子相对接收器的运动
要得到接受器收到光的线型函数就要知道发光原子的速度 分布规律， 分布规律，即不同速度原子的概率分布
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气体运动的麦克斯韦分布
麦克斯韦分布律：单位体积内的原子 或分子 数为n， 或分子)数为 麦克斯韦分布律：单位体积内的原子(或分子 数为 ，则在 沿某方向（朝向接收器方向）具有速度分量在区间为(v 沿某方向（朝向接收器方向）具有速度分量在区间为 z， vz+ dvz)的原子 或分子 数为 的原子(或分子 的原子 或分子)数为
工程光学2》 中讲过， 《物理光学》（ 《工程光学 》 ）中讲过，原子发光形成 物理光学》 的电磁波是有一定长度的振幅按指数规律衰减的波列： 的电磁波是有一定长度的振幅按指数规律衰减的波列：
U = U 0 e cos 2πν 0 t
−t 2τt>0 Nhomakorabea式中 τ 为原子自发辐射的平均寿命，ν 0为余弦函数频率 为原子自发辐射的平均寿命，
1+ v c ν0 1− v c
式中 ν 0 为光源与接收器相对静止时的频率。一般情况下 为光源与接收器相对静止时的频率。一般情况下v 远小于真空光速，并且光源与接收器相对趋近时， 取正 远小于真空光速，并且光源与接收器相对趋近时，v取正 两者背离时， 取负值 取负值。 值；两者背离时，v取负值。上式取一级近似可得
v ν ≈ ν 0 (1 + ) c
若在介质中传播时， 若在介质中传播时，光速应为 c µ ，则此时的频率可写 v 成 ) ν ≈ ν 0 (1 + cµ
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光的横向多普勒效应
当光源与接收器之间的相对速度在垂直于两者连线方向时， 当光源与接收器之间的相对速度在垂直于两者连线方向时， 此时的频率为
激光的线宽和调谐特性
激光的线宽和调谐特性
在许多激光光谱实验中，对激光的线宽和调谐特性都有一定的要求，例如做超高分辨无多普勒增宽(Doppler-free)的光谱实验，激光线宽必须小于跃迁谱线饱和拉姆凹陷(Lamb dip)的宽度，同时要求有非常高的激光频率稳定度和功率稳定度，才有可能做出信噪比很高的测量结果。
实现激光单频的方案要根据激光介质跃迁谱线的分布和重叠情况来决定。
如果相邻跃迁谱线分离得很远，可以采用对特定波长反射的多层介质膜反射镜作为激光的谐振腔镜，选出所需要的激光振荡频率并加以输出，而对不需要的跃迁谱线，则由于透射损耗的增大而不能起振。
这种方法大多是在原子激光器中采用，例如，He一Ne激光器就是采用不同的介质膜输出镜来实现632.8nm或3.39 5m波长的激光输出。
如果激光介质跃迁谱线靠得很近，如C仪和Co 等气体分子激光，或者激光介质的跃迁谱线占有很宽的波长范围，如染料激光器和钦宝石激光器(Ti3+:sapphire laser，掺钦蓝宝石激光器)等.在这些激光器中，可以采用宽波段的反射愉出镜，加上腔内的选频元件，如棱镜、光栅或双折射滤光片等来选择激光输出频率，实现单频振荡。
这里所谓的“单频”
是指激光输出线宽相对较窄(或者说激光振荡在单根跃迁谱线上)，但还不一定是单模激光输出。
要实现激光的单模振荡，还要在腔内加上不同自由光谱区的标准具，使激光器工作在单纵模状态上。
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激光光谱简介
激光对高分辨光谱的发展起很大作用，是研究原子、分子和离子结构的有力工具，可用来研究谱线的精细和超精ห้องสมุดไป่ตู้分裂、塞曼和斯塔克分裂、光位移、碰撞加宽、碰撞位移等效应。
时间分辨激光光谱
能输出脉冲持续时间短至纳秒或皮秒的高强度脉冲激光器，是研究光与物质相互作用时瞬态过程的有力工具，例如，测定激发态寿命以及研究气、液、固相中原子、分子和离子的弛豫过程。
常见的激光光谱
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吸收光谱
激光用于吸收光谱，可取代普通光源，省去单色器或分光装置。激光的强度高，足以抑制检测器的噪声干扰，激光的准直性有利于采用往复式光路设计，以增加光束通过样品池的次数。所有这些特点均可提高光谱仪的检测灵敏度。除去通过测量光束经过样品池后的衰减率的方法对样品中待测成分进行分析外，由于激光与基质作用后产生的热效应或电离效应也较易检测到，以此为基础发展而成的光声光谱分析技术和激光诱导荧光光谱分析技术已获得应用。利用激光诱导荧光、光致电离和分子束光谱技术的配合，已能有选择地检测出单个原子的存在。
激光光谱简介
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可调（谐）激光光源实际上是一台可调谐激光器，又称波长可变激光器或调频激光器。它所发出的激光，波长可连续改变，是理想的光谱研究用光源，可调激光器的波长范围在真空紫外的118.8纳米至微波的8.3毫米之间。可调激光器分为连续波和脉冲两种，脉冲激光的单色性比一般光源好，但其线宽不能低于脉宽的倒数值，分辨率较低。用连续波激光器作光源时，分辨率可达到10-9（线宽<1兆赫）。
荧光光谱
高强度激光能够使吸收物种中相当数量的分子提升到激发量子态。因此极大地提高了荧光光谱的灵敏度。以激光为光源的荧光光谱适用于超低浓度样品的检测，例如用氮分子激光泵浦的可调染料激光器对荧光素钠的单脉冲检测限已达到10-10摩尔/升，比用普通光源得到的最高灵敏度提高了一个数量级。
多普勒谱线展宽
2. 多普勒谱线展宽谱线展宽主要有自然展宽、碰撞展宽和多普勒展宽;多普勒展宽直接于气体分子速度分布律有关,这一效应首先被里普奇Lippich 在1870年提出,瑞利经过多年研究得到定量公式;下面就导出多普勒谱线型函数;假设发出激光的原子静止时其发光频率为0υ,当原子以x v 的速度沿x 轴向“接受器”运动时,由于多普勒效应使得“接受器”收到的频率为：⎪⎭⎫ ⎝⎛+≈-=c cx x υυυυυ1100 14 由于不同原子的x v 不同,所以“接受器”收到的是不同频率的光,使得激光谱线以0υ为中心被展宽;由麦克斯韦速度分量分布律可以得到,速度x 分量在x v —x x dv v +的分子数比率为：()x kT mv x x M dv e kT m dv v f x 22122-⎪⎭⎫ ⎝⎛=π 15 令()υg 代表其辐射频率落在υ附近单位频率间隔内的发光原子数比率,则有()()x x M dv v f d g =υυ()υg 与辐射强度()υI 成正比;将c v x 00υυυ-=和υυd c dv x 0=代入15式,可得 ()()()υπυυυυυυd e kT m cd g kT mc 2020222--= 式中()υg 就是多普勒展宽的线型函数;下面看一个例子;例1：试由来自星体的光谱线或多普勒宽度确定星体的温度;解： 静止原子由激发态回到基态发出的光波的频率0ν决定于两个态的能级差：E h ∆=0ν,h 为普朗克常数;由于原子在运动,因而发射出来的光的频率不再是0ν而是一个分布,也就是谱线增宽了;一个以速度v 运动的原子,沿x 轴发射的光的频率ν与0ν及x v 的关系为)1(0cv x -=νν, x v c =-)(00ννν 式中c 为光速;横向产生的多普勒效应比纵向小得多而可以忽略;由于在νννd +→之间的光强ννd I 与速度分量在x x x dv v v +→之间的原子数目X dN 成正比,即x v CdN dv I =由麦氏分布律x kT mv dv e kT m d x 2/2/12)2(-⋅=πN N 因而dv e I dv I kT mc v 2002)(20ννν--=上式表示原子发光的强度,由于多普勒效应引起的谱线强度按频率的分布,分布函数随频率变化的曲线如图1所示,图1 原子光谱中0υ谱线的多普勒加宽它是对0v 的一个对称分布曲线;物理上定义与谱线极大值I 0的一半相对应的两个频率2v 与1v 之差v ∆称为谱线的宽度这里也称为多普勒线宽;由21)(20002==--νννkT mc v e I I 解得 2/1202ln 21⎥⎦⎤⎢⎣⎡±=mc kT νν 所以2/12012)2ln 2(2kT mcνννν=-=∆ 由上式可知,多普勒宽度ν∆与原子的质量m 及原子所处系统的温度T 有关;若由实验测得了来自星体原子光谱的多普勒宽度ν∆及原子的质量m 就可知道星体的温度T ：k n mc 2022281)(νν⋅∆=T。
激光光谱学课件 第三章
光谱线的精细轮廓，是由共振辐射场与原子系统（大量有相互作用的原 子）之间相互作用的物理机制所决定的。
注意： （1）光谱线是有大量原子跃迁共同贡献的，原子间有相互作用。
(2）研究谱线的线型和加宽机制对于了解原子结构，消除加宽因素使 线宽减小到最小，都有重要意义。
两类增宽： 非均匀增宽：多普勒增宽，不同速率的原子只对谱
谱线轮廓变宽,中心移动以及线形发生变化. 与干扰原子的密度有关,也就是气体的压力有关,也叫压力增宽.
A 碰撞展宽模型
复杂性: 1) 1906, 洛伦兹 2) 1933 Weisskopf 统计理论 3) 1941 Lindhom 1946 Foley, 绝热碰撞理论 没有完整理论: 原子碰撞谱线的轮廓基本上是洛伦兹的.
多普勒线形为高斯分布 自发辐射线形为洛仑兹线形
Class 4
光学Doppler: 这是由于发光原子精确的分析，需要微观粒子相互作用的守恒定律以及 相对论。分析原子吸收一个光子的过程： 设一个运动速度为 v2的原子处于较高能级2, 它在发射v的光波后下降到能量较 低的能级1,其速度变为v1.
如果原子与共振电磁场相互作用时间很短，设原子与场作用时间 T<<原子寿命。 原子只感受到一个短列余旋波的作用，因而原子有一定宽度。 有分子渡越激光束与辐射场的作用时间来决定.
分析一原子通过一个光强分布均匀的光束的情况。
减少渡越加宽的途径: 有二种方法可以减小飞行时间增宽：或者增 大激光束直径．或者降低温度以减小分子速 度v 。1）增大光束直径,2)降低气体温度. 这二种方法都已在实验上得以证实.
B 弹性碰撞导致谱线的展宽
碰撞没有使得原子发射中断,而使电偶极矩振动的相位 发生变化,碰撞后发射的光波与前的不再相干了.
激光原理与技术讲稿
第一章 激光的基本原理及其特性激光技术是二十世纪六十年代初发展起来的一门新兴学科。
激光的问世引起了现代光学技术的巨大变革。
激光在现代工业、农业、医学、通讯、国防、科学研究等各方面的应用迅速扩展，之所以在短期间获得如此大的发展是和它本身的特点分不开的。
激光与普通光源相比较有三个主要特点，即方向性好，相干性好和亮度高，其原因在于激光主要是光的受激辐射，而普通光源主要是光的自发辐射。
研究激光原理就是要研究光的受激辐射是如何在激光器内产生并占据主导地位而抑制自发辐射的。
本章首先从光的辐射原理讲起，讨论与激光的发明和激光技术的发展有关的各方面物理基础和产生激光的条件。
光的辐射既是一种电磁波又是一种粒子流，激光是在人们认识到光有这两种相互对立而又相互联系的性质后才发明的。
因此本章从介绍光的波粒二象性开始研究原子的辐射跃迁。
激光的产生又是光与物质的相互作用的结果，对光的平衡热辐射和光与物质的相互作用 (光的自发辐射、受激辐射、受激吸收) 的研究是发明激光的物理基础。
光谱线的宽度，线型函数是影响激光器性能的重要因素，提高激光的单色性是激光技术的发展的一个重要方向。
阐明上述这些基础后，本章最后一节讨论激光产生的条件。
1. 1 激光的特性光的一个基本性质就是具有波粒二象性。
人类对光的认识经历了牛顿的微粒说、惠更斯菲涅耳的波动说到爱因斯坦的光子说的发展，最后才认识到波动性和粒子性是光的客观属性，波动性和粒子性总是同时存在的。
一方面光是电磁波，具有波动的性质，有一定的频率和波长。
另一方面光是光子流，光子是具有一定能量和动量的物质粒子。
在—定条件下，可能某一方面的属性比较明显，而当条件改变后，另一方面的属性变得更为明显。
例如，光在传播过程中所表现的干涉、衍射等现象中其波动性较为明显，这时往往可以把光看作是由一列一列的光波组成的；而当光和实物互相作用时(例如光的吸收、发射、光电效应等)，其粒子性较为明显，这时往往又把光看作是由一个一个光子组成的光子流。
激光多普勒测速课件
03
激光多普勒测速技术实验方法
实验准备与操作流程
实验设备
激光多普勒测速仪、水槽、电源、信号发生器、示波器等。
实验材料
水、透明玻璃或有机玻璃板、测量尺等。
实验准备与操作流程
操作步骤
1
2
1. 安装激光多普勒测速仪，确保其稳定运行。
材料科学、纳米技术等领域。
在材料表面形貌测量中，激光多普勒测速技术可以测 量材料表面的粗糙度、形貌和纹理等信息，提供材料
表面的三维形貌和表面动力学特征。
激光多普勒测速技术还可以用于测量材料表面的应力 、应变和热流等参数，为表面工程和材料科学研究提
供重要数据。
06
结论与展望
技术总结
激光多普勒测速技术是一种非接触、无损、高 精度、高分辨率的测量 技术，具有广泛的应用 前景。
在流体速度测量中，激光多普勒测速技术可以测量液体、气体和等离子体等流体的速度，具有广泛的应 用范围。
激光多普勒测速技术可以测量流体的平均速度和瞬时速度，提供流场的速度分布和流速矢量等信息，为 流体力学研究和工程应用提供重要数据。
粒子速度测量
激光多普勒测速技术在粒子速度测量中 具有高精度、非接触和实时性的优点， 广泛应用于气溶胶、燃烧颗粒、生物细 胞等领域。
未来，激光多普勒测速技术将不断优化，提高测量精度和 稳定性，拓展应用范围，为科学研究和技术创新提供更多 可能性。
同时，随着技术的进步和应用需求的增加，激光多普勒测 速技术的成本将逐渐降低，使得更多的领域和行业能够受 益于该技术的应用。
THANKS
感谢观看
在粒子速度测量中，激光多普勒测速技术可 以测量粒子在气体或液体中的速度，提供粒 子的运动轨迹和速度分布等信息。