激光光谱-05-激光光源01
光声光谱和激光光谱
光声光谱和激光光谱光声光谱和激光光谱是两种不同的光谱分析技术。
光声光谱是通过声波与光波之间的相互作用来研究物质的光谱特性，而激光光谱是利用激光与物质之间的相互作用来研究物质的光谱特性。
光声光谱技术是利用声波的特点和能量与光波的特点和能量相互转换来实现的。
在光声光谱技术中，首先使用一个激光光源产生一个强光束，然后将这个强光束聚焦到需要研究的样品上。
当强光束与样品相互作用时，会产生声波信号。
这些声波信号会通过一个声波传感器来探测和记录。
通过记录声波信号的时域特性和频域特性，可以得到样品的光声光谱信息。
光声光谱可以提供有关样品的结构、成分、形貌和物理性质等信息。
光声光谱技术具有分辨率高、灵敏度高、无损检测等优点，被广泛应用于材料科学、药物研究、生物学等领域。
激光光谱技术是利用激光与物质之间的相互作用来研究物质的光谱特性。
激光是一种特殊的光源，具有高亮度、高单色性和高相干性等特点。
在激光光谱技术中，首先使用一个激光器产生一束具有特定波长和能量的激光光束，然后将激光光束照射到需要研究的样品上。
当激光光束与样品相互作用时，会发生吸收、散射、发射等光谱现象。
这些光谱现象会通过光谱仪器来探测和记录。
通过分析记录下来的光谱信号，可以得到样品的光谱信息。
激光光谱可以提供有关样品的能级结构、能量转移、光谱分布等信息。
激光光谱技术具有高分辨率、高灵敏度、速度快等优点，被广泛应用于化学、物理、生物、环境科学等领域。
光声光谱和激光光谱之间存在着不同的工作原理和应用范围。
光声光谱主要用于研究材料的结构、成分和物理性质等方面，可以提供材料的超声波声速、吸收系数、非线性参数等信息。
激光光谱主要用于研究物质的能级结构、能量转移和光谱分布等方面，可以提供物质的发射光谱、吸收光谱、荧光光谱等信息。
光声光谱和激光光谱在应用中都具有重要的地位。
光声光谱主要应用于材料科学、药物研究、医学诊断、环境检测等领域。
例如，在材料科学中，光声光谱可以用于研究固体材料的声学性质、热传导性能、材料界面的结构等方面。
激光光谱测量技术
激光光谱测量技术
激光光谱测量技术是一种利用激光光源进行光谱测量的技术。
它基于激光的单色性和高亮度特点，可以提供高分辨率和高灵敏度的光谱测量结果。
激光光谱测量技术可以应用于多个领域，包括化学分析、生物医学、材料科学等。
它可以用于检测和分析物质的化学成分、浓度、结构等信息。
激光光谱测量技术的基本原理是通过将待测样品与激光光源进行相互作用，测量样品对激光光源的吸收、散射、荧光等光学响应，从而获取样品的光谱信息。
通过对测得的光谱数据进行分析和处理，可以得到样品的相关性质和参数。
激光光谱测量技术有多种实现方式，包括光吸收光谱、拉曼光谱、荧光光谱等。
其中，拉曼光谱是一种常用的激光光谱测量技术，它可以提供物质的分子振动信息，用于物质的鉴定和分析。
总之，激光光谱测量技术是一种高分辨率、高灵敏度的光谱测量方法，可以应用于多个领域，为科学研究和工业技术提供了重要的分析手段。
激光光谱学的介绍
激光光谱学的介绍一、引言光谱学是研究物质和电磁波相互作用的科学，而激光光谱学是对在激光器发明之后，使用激光作为光源来进行的原子、分子的发射光谱、吸收光谱以及非线性效应所做研究的通称。
激光光谱学是自激光技术出现以来在传统光谱学基础上发展起来的一门新兴学科。
传统光谱学已有300多年的历史。
1666年伟大的科学家牛顿用棱镜发现了光的色散现象，由此开始了光谱学的发展，不过在起初的一百多年内，其发展极为缓慢，直到1814年著名的物理学家夫琅和费用他发明的棱镜光谱仪观察到太阳谱线开始，才逐渐进入光谱学发展的盛期，除了对吸收与发射光谱的研究外，还相应发展了对散射光谱的研究，特别是喇曼散射的发现，即在光发生散射时，除了原有频率之外，散射光中还有一些其它频率的光出现，通过喇曼散射可以研究物质的结构与组成等！其实光谱学作为一门实用性学科是由物理学家和化学家共同开创起来的。
到20世纪初，传统光谱学已经十分成熟并在冶金、电子、化工、医药、食品等工业部门都成为相当重要的分析手段。
尽管传统的光谱学在物质研究中获得了多方面的应用，但在激光问世之前，它的进一步发展已经面临着不可逾越的鸿沟。
首先传统光谱学使用普通光源，探测分辨率低，而增强其单色性，又不得不以降低光强为代价，这样又会影响到探测的灵敏度，此外，在弱光辐射下光谱中的许多非线性效应表现不出来，因此包含物质结构深层次的信息被阻断。
60年代高强度、高单色性激光的出现给光谱学这门学科注入了新的活力，在其后发展的激光光谱学中，激光光源的优越性被发挥的淋漓尽致。
比如激光的单色性使分光器件分辨率提高，高强度提高了探测的灵敏度，而且强光与物质粒子的相互作用中，产生了各种可观测的非线性光谱效应；此外激光的高度方向性又使对微区或定点的光谱分析成为可能。
在激光光谱学中，作为光谱分析手段的激光光谱技术由于其高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率也倍受重视，在许多科学技术领域有着非常广泛的应用前景！二、激光光谱学技术的应用1、化学把激光光谱技术与光化学结合，工艺技术简单、设备小、效率高、成本低。
激光光声光谱技术
激光光声光谱检测技术激光光声光谱技术作为一种高灵敏度的微量气体检测技术历史已经超过30年，几乎同红外气体检测技术一样长。
这两种检测技术的共同点都是利用气体分子吸收红外线的特性，二者的区别在于光源。
红外检测技术是利用红外线做光源，是广谱的光源，即使经过滤光片依然是广谱的光源，所以红外气体传感器的选择性差灵敏度低。
激光光声光谱技术采用激光器做光源，是单一频率的光源，光源的频率可以和气体分子的吸收频率一致，所以激光光声光谱技术的特点是选择性好灵敏度高。
一、激光光声光谱气体检测技术原理光声气体检测原理是利用气体吸收一强度随时间变化的光束而被加热时所引起的一系列声效应。
当某个气体分子吸收一频率为ν的光子后，从基态E0跃迁到激发态E1，则两能量级的能量差为E1-E0=hv。
受激气体分子与气体中任何一分子相碰撞，经过无辐射驰豫过程而转变为相撞的两个分子的平均动能(既加热)，通过这种方式释放能量从尔返回基态。
气体通过这种无辐射的驰豫过程把吸收的光能部分地或全部的转换成热能而被加热。
如果入射光强度调制的频率小于该驰豫过程的驰豫频率，则这光强的调制就会在气体中产生相应的温度调制。
根据气体定律,封闭在光声腔内的气体温度就会产生与光强调制频率相同的周期性起伏。
也就是说,强度时变的光束在气体试样内激发出相应的声波,用传声器便可直接检测该信号。
气体光声检测系统通常由激光器(或普通单色光源)、调制器(使光束作强度调制,例如机械切光器、电光调制器等)、充有被测吸收气体和装有检测传声器的光声腔以及信号采集处理系统组成。
利用光声原理实现的气体检测技术是基于气体的特征红外吸收,间接测量气体吸收的能量，因此测量灵敏度高，检测极限低，切不存在传感器老化的问题。
1971年Kreuzer从理论上分析利用染料激光器和高灵敏度穿声器的光声技术的检测极限达到10-12数量级，比传统的红外光谱仪灵敏度高104倍。
二、LLD-100型高灵敏度快速响应的SF6定量检漏仪SF6气体泄漏检测仪一般都要求体积小、重量轻、用电池供电以适合电力系统现场使用，但激光光声光谱气体技术中所需要的激光器一般体积都很大、功率消耗也很大，所以制造出的仪器体积庞大而且需要交流电供电，不适合电力系统现场使用。
01激光拉曼光谱法
(3) 激发光是可见光，在可见光区测分子振动光谱。 (4) 拉曼光谱中的基团振动频率和红外光谱相同。
酮羰基的伸缩振动在红外光谱中位于1710cm-1附近， 而拉曼光谱中总在（1710土3）cm-1。
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②拉曼活性振动 诱导偶极矩 = E
非极性基团，对称分子。 拉曼活性振动-伴随有极化率变化的振动。
对称分子： 对称振动→拉曼活06性:0。8:5不5 对称振动→红外活性
(二) Raman光谱
CCl4的Ramam光谱图
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1. Raman光谱特点
(1) 拉曼光谱记录的是stoke 线。 (2) 测量相对单色激发光频率的位移。
(1) 对不同物质： 不同。
(2) 对同一物质： 与入射光频率无关；表征分子振-
转能级的特征物理量；定性与结构分析的依据；分子振-转
光谱；与红外光谱互补。
(3) Raman散射的产生：光电场E中，分子产生诱导偶极
矩，即
= E
分子极化率，分子电子云分布改变的难易程度。
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4）环状化合物的对称呼吸振动常常是最强的拉曼谱 带。形成环状骨架的键同时振动。
5）在拉曼光谱中， X＝Y＝Z，C＝N＝C，O＝C＝O 这类键的对称伸缩振动是强谱带，反之，非对称伸 缩振动是弱谱带。红外光谱与此相反。
6）C—C伸缩振动谱带在拉曼光谱中强，红外光谱中弱。
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3.实验结束，首先取出样品，关断电源。 4.注意激光器电源开、关机的顺序正好相反。
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四、 激光拉曼光谱法的应用
激光拉曼光谱详解
拉曼散射的发展
1928年，印度物理学家拉曼（G.V.Raman）首次发现拉曼 散射效应，荣获1930年诺贝尔物理学奖。 1928——1930年，拉曼光谱成为研究光谱的主要手段。因 为拉曼光谱喇曼频率及强度、偏振等标志着散射物质的性 质。
1940——1960年，拉曼光谱地位一落千丈，主要是因为拉 曼效应太弱，并要求被测样品体积足够大、无色、无尘埃、 无荧光等。
按照统计分布率，分子数在热平衡下按 能量的分布为玻耳兹曼分布，其中α为 能级E的简并度，因此布居在较高能级上 的分子数要少于较低能级上的，这就使 频率增加的散射谱线（反斯托克斯线） 的强度要比频率减少的散射谱线（斯托 克斯线）弱些。
邱 东 敏
拉曼原理
Rayleigh scattering: I λ-4
hn hn’ n = n’ n = n’
n = n’ 这种现象称为拉曼散射 激发态
anti stokes
stokes
虚能级 准激发态
பைடு நூலகம்基态
Raman Rayleigh Raman scattering
为何斯托克斯谱线强度比反斯 托克斯谱线大？
窄的激光器，多波长激光器一起
使用，这样拉曼效果才能出来比较好
何谓瑞利散射、拉曼散 射、斯托克斯散射、反 斯托克斯散射？
瑞利散射
当一束激发光的光子与作为散射中 心的分子发生相互作用时，大部分 光子仅是改变了方向，发生散射， 而光的频率仍与激发光源一致，这 种散射称为瑞利散射。
拉曼效应
光通过介质时由于入射光与分子运动 相互作用而引起的频率及方向发生变 化的散射。其散射光的强度约占总散 射光强度的10－3。拉曼散射的产生原 因是光子与分子之间发生了能量交换， 改变了光子的能量。
激光光谱-01-吸收与发射、线宽与线形
En Ev Er so that H n Tn Vnn Ee Q
e v r
E Ee Ev E r
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。 2
Ps z ms
s
ms 1 2
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。Lamb shift
射电天文 观测谱线
精细结构 fine structure
超精细结构 27
多粒子体系的Hamiltonian量
2 2 1 2 2 H i A 2m i 2 M 4 0 A A
g i Ei kT Ni N e Z E1 kT E2 kT B21 ( ) A21 g1e B12 ( ) g 2 e A21 B21 ( ) g1 B12 h kT e 1 g 2 B21
N1 B12 ( ) N 2 B21 ( ) A21
1 1 RH 2 2 n' ' n'
• 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(Nodal surfaces, or nodes) • 角量子数/磁 量子数与角动 量的关系
– 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（FrankCondon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
激光光谱学
第一张基本概念：1.能级寿命是指自发辐射能级寿命，能级寿命与自发辐射系数互为倒数关系。
2.自发辐射与受激辐射的区别：(1)受激跃迁与自发辐射，前者与外场揉(谬)有关，而后者则只取决于原子、分子系统本身，与外场揉(谬)无关。
理论和实验证明受激辐射光子与入射光子具有四同（同频率、同位相、同波矢、同偏振），即受激辐射光子与入射光子属于同一光子态（光波模式），受激辐射光是相干光，而自发辐射是非相干的随机过程。
(3)自发辐射系数A21与受激跃迁系数的关系：在热平衡条件下，能级E1、E2的粒子数N1、N2应保持平衡，则有: 3. 光子简并度n 为受激辐射几率与自发辐射几率之比，前者产生相干光子，后者产生非相干光子。
4. 激光器的三要素：（1）工作物质(气体、固体、液体、半导体等);(2）泵浦源：二者可实现粒子数反转，实现光放大。
（3）激光谐振腔 ---实现选模和光学正反馈。
5.线宽：分布函数半最大值所对应的频率宽度叫线宽—半最大值全宽，线宽内部分叫谱线的核,外部部分叫翼。
6.光谱学中常见的谱线展宽有：自然展宽、碰撞展宽、 Doppler 展宽。
自然加宽：由于自发辐射的存在，导致处于激发态的粒子具有一定的寿命，使得所发射的光谱具有一定的线宽称为自然加宽。
7.碰撞又分为弹性碰撞和非弹性碰撞：弹性碰撞，碰撞对之间没有通过无辐射跃迁所进行的内能交换时，称为弹性碰撞。
非弹性碰撞，碰撞对A 、B 在碰撞期间，A 的内能完全的或部分的转移给了B(或成为B 的内能或转变为A 、B 的平动动能)，有内能变化，称为非弹性碰撞，也叫淬灭碰撞。
小距离弹性碰撞主要引起谱线加宽，而大距离弹性碰撞主要引起频移。
8.Doppler 加宽：由于气体原子、分子的热运动而具有一定的速度分布，一定速度的粒子相对于探测器来讲，都会产生Doppler 频移，这样具有一定速度的粒子只对谱线的某一频率范围有贡献，总体效果使得谱线加宽，Doppler 加宽的谱线线型为高斯线型。
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1. 2. Laser Spectroscopy, 4th Edition, Ch.5 激光光谱技术原理与应用，第3章 zuoduluo@
概要
1. 激光原理简单回顾 2. 单模激光的实验实现 3. 单模激光的调谐/单模激光的线宽
1. 激光原理简单回顾
• g参数； • 谐振腔； • 横模结构； • 纵模结构。
g参数
• g参数的定义：
• TEM00在球面镜上的光斑大小：
有些文献中，腔长用L表示。
ABCD矩阵及g参数计算
单程ABCD矩阵
* g1 L* * * ABCD g1 g 2 1 * g 2 * L
均匀加宽有源腔： 模式频率向增益曲线中心频率移动
2. 单模激光的实验实现
• 跃迁线(支线)选择； • 基横模运行； • 单纵模运行； • 连续调谐。
Ar+激光的激光线选择
Brewster棱镜：p偏振无反射透过。 支线选择的另一案例：选支 Littrow棱镜：反射镜与棱镜的组合。 调谐CO2激光
CO2激光器的支线选择
Michelson干涉选择单纵模
M2, M3: Fox-Smith Cavity
A: 吸收率
多线增益介质：同时选线与选单纵模 I
考虑反射的相移，相消干涉条件：
同时选线与选单纵模 II
棱镜选线； 双标准具选单纵模
同时选线与选单纵模 III
双折射干涉滤光片
CW dye laser
Pulsed dye laser
1 x2 y2 2 R r , z 1 m n arctan 1 2 R 1 4 1 2 2z R x 2 y 2 2 Equal phase plane : z const. 2 2R 1
H Kogelnik, and T Li, “Laser beams and resonators,” Proc IEEE, 54 pp.1312-29 (1966).
高阶模（迪卡尔坐标）
x y g h exp w k 2 j P r 2q k 2 j P r 2q
– 上一级的激光辐射促成下 一级激光辐射的粒子数反 转； – 腔外棱镜或光栅选线。
横模的抑制
g参数
• 横模抑制的根本措施：选择合 适的谐振腔光阑大小，a 3w/2，基模衍射损耗小于1%。 纹波小于1%， a 5w/2。 • 由于横模的模式竞争，光阑大 小的要求，可以有所放松: 基 模振荡使高阶模的增益降低。
02 q q0 z j z
1 1 j 2 q R
j j P 2 ln 1 jP z 0 2 q z j 0 z
2
2 j arctan z 0
thus 0 jk 2 1 2 u r , z exp j kz r 2 where arctanz 0 2 R
谱线标志: …, P(18), P(20), …, …, R(18), R(20), …
光束扩束准直有利于提高分辨率
He-Ne激光器的激光线选择
• 公共上能级或下能级： 抑制一支，加强另一支。
– CH4吸收池：抑制3.39 m； – 棱镜。
• 级联跃迁(cascade transitions，2.39 m)：
腔镜机械振动的隔离
腔长的主动控制：压电陶瓷反馈调节
0附近，PH D2主要探测到2f频 率；远离0，f频率，信号强度正比 于波长偏差。
压电陶瓷反馈调节 II
波长稳定在FPI透过率的斜边。 不需要对FPI的透过率进行调制，省略了锁相放大。
3. 单模激光器的可控波长调谐
• 连续调谐技术； • 单模激光波长的标定。
Lyot Filter
光强稳定
• 激光光谱的信号强弱直接与光强相关，稳定的光强 对简化数据分析过程有极大帮助。 • 稳定措施举例：反馈调节电源；输出光调节。
低速，某些激光器稳定度达0.5%
高速，但功率损耗达20 – 50%
波长稳定
• 共振方程： • 腔长或折射率变化将引起波长/频率变化：
• 腔长、折射率漂移的原因：温度，气压波动。 • 解决方案：提高温度、气压稳定性；反馈调 节。
高斯光束 – 波动方程的近似解
2 2 2u k 2u 0 2 ik 0 2 2 z y x u x, y, z exp jkz k 2 exp j P 2q r where
无源腔模式频率分布
球面腔横模结构，高斯光束
非稳腔：球面波的传播
两种共焦非稳腔
正支 负支
环形腔
受抑全反射: 隐失波(倏逝波)耦合
单向环形腔的特点：行波模，无空间烧孔，充分利用增益介质。
环形腔的单向运行
• 光学二极管的基本原理：
– 线性双折射晶体或电光 晶体，产生线偏振的相 移(o光，e光)，偏振面旋 转角度仅与晶体有关， 与光束传播方向无关； – 圆双折射溶液或磁光晶 体，产生圆偏振的相 移，左旋、右旋的定义 与光传播方向有关，偏 振面旋转与光的传播方 向有关。
Amn
对称共焦腔的光场表达式 (笛卡尔Cartesian坐标) r x, y, z CH x H y exp w exp i z , r , R
2 * * m n
2
where 2x x w
*
2y y w
*
2 2 z d 2z 2 2 w z 1 w0 1 z 2 d 0
Etalon选择单纵模
• Etalon的透射峰：
mm 2nt cos
• Etalon的自由光谱范围： m m1 m 1 m • Etalon的角度：
2nt cos 2d m q m d cos q nt
增益线宽
m
m: Etalon干涉级次； q: 谐振腔纵模级次
单模激光的线宽
• 线宽的技术因素：nd的涨 落 • 激光器的共振线宽(c)， 对激光线宽起限制作用。 • 线宽的本质因素：
– 自发辐射； – 光子的统计分布； – 相位涨落：自发辐射受激放 大产生的相位涨落，线宽的 主要决定因素。Lorentzian线 型。 1. 理论线宽可达到10-4 Hz量级， 但实际线宽受限于nd的涨落； 2. 适当措施，单纵模激光的线宽 在10 kHz – 1 MHz ； 3. 最复杂的措施，1 Hz量级。
球面镜腔的ABCD矩阵计算例
0 1 L 1 0 1 1 ABCD 1 1 1 0 1 R1 R2 L L 1 R1 N. Hodgson, H. Weber, Laser 1 L L 1 resonators and beam propagation, R R 1 R 1 R 1 2 1 2 Springer, 2005. L g1 g1 g 2 1 g2 L
增益线宽
0 a c a Dispersion relation : n a 1 m 2 a Threshold condition : a 2d , r c 4d
ห้องสมุดไป่ตู้
谐振腔共振线宽
r r 0 m a r 1 m r r 0 r m
N th 1, N sp 1
Schwalow-Townes关系：
6. 小结
• 激光光谱中的激光器，有其特殊的要求：
– 窄线宽； – 可调谐； – 高稳定性：频率稳定，功率稳定。。
2x 2 y H n exp Hm w w z m, n; z m n 1 arctan 2 0
模式频率
arccos g1 g 2 mnq q m n 1 where for g1 0 and g 2 0 arccos g1 g 2
无源腔的模式频率
对称共焦腔，注意与对称共焦F-P干涉仪的比较。
即使纵模阶次相同，不同横模阶次， 仍有不同的模式频率。 在某些条件下，如果横模没有受到抑 制，可能出现模式频率的简并。
有源腔的模式频率 – 模式牵引
Passive cavity : 2 r 2d c 2m Active cavity : 2 a n a 2d c 2m
单纵模的选择
• 腔外选择：高选择性的滤波 手段，功率损失。 • 腔内单纵模选择的基本点： 纵模间距大于阈值上增益线 宽。
– 与增益曲线中心不重合： c 2d m – 重合：2 c 2d c d m
• 单纵模运行的实现方法：
– Etalon或者FP干涉仪； – Machelson干涉仪； – 宽增益介质：激光线选择与 单纵模选择相结合。
ABCD Law
02 q z jz0 z j
Aq1 B q2 Cq1 D Compared with that in ray optics : r2 A B r1 C D 1 2
连续调谐技术
• 激光线调节：光栅/棱镜调节； • 单纵模调节：
– 旋转Etalon调整透过峰位置，或者伸缩(棱镜)FPI – 压电陶瓷，或者旋转Brewster平板调整腔长
棱镜FPI 参考腔
Brewster平板
单模激光波长的标定