《激光光谱学》PPT 课件

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1、中科院激发态物理重点实验室宋宏伟,Tel: 5603413 (H) 6176320 （O） 13610701150 (Mobile) Email: 本课程内容以黄世华 教授为主要参考书，部分章节参考秦伟平研究员讲义，结合激光光谱学及相关领域的前沿动态编写而成。,激光光谱学参考书： 激光光谱学原理和方法黄世华 编著 其它参考书目： 1激光光谱学的基础和技术W. Demtroder（戴姆特瑞德）著；黄潮 译 Chap. 13。 2光的量子理论R. Loudon 著；于良 等译 Chap. 1，3，8，9。 3.近代量子光学导论彭金生 李高翔 著 Part. I Chap. 1，2；Part. II

2、, Chap.1 4量子力学 曾谨言 编著 Chap. 11，量子跃迁 5光学 赵凯华 钟锡华 著 Chap. 2，4，5，8，9 6超短脉冲激光器原理及应用 J. 赫尔曼；B. 威廉 著 Chap.14，8，9 7.激光物理学 邹英华 编著 Chap. 1，4，610 8 Laser and Electro-Optics Christophor C. Davis Chap. 1，2，6，23， 9.概率论与数理统计 10.电动力学 曹昌淇 著 11.Electricity and MagnetismBerkeley Physics Course Vol.2, E. M. Purcell Ch

3、apter. 6，7，9，10。,760 630 600 570 500 450 430 400 nm,红外 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 紫外,光具有频谱特性,一 引言,将光的强度按频率或波长的分布展开光谱,光谱学就是研究物质光谱(吸收，发射)特性的科学,每一种分子、原子都有它固有的频谱特性； 氢原子能级结构的确定、氦元素的发现等都是利用光谱学的方法完成的。 对物质结构的表征和研究也都依赖于光谱学。 因此，光谱学是从微观角度研究物质世界的一种重要手段。 1960年，第一台红宝石激光器的问世，成为光谱学发展的新纪元。从此，衍生出一门崭新的科学激光光谱学。,激光光谱学是一门怎样的科学？ 它同一般的

4、光谱学有何区别？ 激光光谱学是以光谱的手段研究激光（作为一种电磁波)与物质相互作用的科学。 激光与物质相互作用 激光光谱学 非线性光学 量子光学 激光同一般光源相比具有特殊性，决定了激光与物质相互作用的特殊性。 光场的描述： 振幅，频率，时间，位相,激光特性： 频率（) 单色性-高分辨光谱学 时间 (t) 脉冲性-超快速光谱学 位相 () 相干性-相干光谱学 强度 (A2) 高密度-非线性光谱学 高分辨光谱学: （109 102 Hz) 技术-激光选择激发、荧光谱线窄化、光谱烧孔 研究内容-晶体场中能级劈裂，精细结构，超精细结构,能量传递，光谱扩散 超快光谱学：（ps(10-12-fs(10-

5、15) 技术：锁模 研究内容：分子反应动力学，生物体的发光,相干光谱学： 技术：付立叶变换 (时间频率) 快的时间过程宽的频谱 窄的频谱慢的时间过程 非线性光谱学： 在高密度激发下，介质的极化率随光强变化，出现了许多非线性光学现象，Raman散射，双光子吸收，二次谐波，四波混频等。,黄世华内容 第一章 光谱测量方法简介 (光谱知识基础 ) 第二章 谱线的宽度和线形 (光谱知识基础) 第三章 激光选择激发 高分辨 第四章 相干瞬态光谱学 (相干，高分辨) 第五章 荧光谱线窄化和光谱烧孔 高分辩 第六章 Raman散射，双光子吸收及某些非线性光学效应 (非线性) 第七章 四波混频 (非线性, 相干

6、) 第八章 超快速光谱学 (超快),3 4 5 6 7 8,High Resolution,Coherent,Ultrafast,Nonlinear,本课程的主要内容,第一讲 光谱知识简介 光谱测量，能级和跃迁，谱线线形 第二讲 高分辨光谱学 激光选择激发，荧光谱线窄化，光谱烧孔 第三讲 固体离子发光中的基本规律和理论 电子-声子耦合， 能量传递 第三讲 相干瞬态光谱学 第四讲 超快光谱学 第五讲 非线性光学现象与激光光谱学 第六讲 掺杂纳米材料的发光性质,第一章 光谱知识简介,1.1 能级和跃迁 二能级系统描述跃迁过程：,光的频率由玻尔关系给出：,B21,B12,激发态,基态,能级：电子所处

7、的能量状态 Hamilton算符H H|j=E|j的本征函数| ji和本征值Ei,本征态,H 外场, 例如 光 E H=ESer=Em,|j0 |j3,H 系统内的相互作用，例如，H(DA),D,A,|j3(D) j1 (A) |j0(D) j2 (A) ,每一次受激吸收都使电磁波一个模中的光子数减少一个。 每一次受激发射都使原激发光子模中的光子数增加一个。 自发发射的K矢量是任意的，因此发射光子的模式也是任意的。,由量子力学知道，如果一个系统的Hamilton算符已知，就可以 由方程 H |j = E |j 得到它的本征函数和本征值。在微扰H的作 用下，系统可以由一个本征态过渡到另一个本征态

8、，产生跃迁。 单位能量间隔内的跃迁几率由Fermi黄金规则确定：,根据d 函数的性质，上式也可以写为：,式中设微扰是由能量的光子引起的， fi = (Ef - Ei)/,在稳定状态下，这三种过程引起Nf变化的总速率为0， (NiBif -NfBfi)r(wfi) = AfiNf, 由此，,在热平衡下，Ni 和Nf 按Boltzmann分布，,普朗克公式：,与上式比较，得到Einstein关系 ：,Einstein系数与跃迁矩阵元的关系,考虑分子在电场E = (1/2)E0expi(w t-kr)+c. c. 作用下的吸收， 微扰：H = ESeri = Em 求和对所有外层电子进行, 跃迁矩阵

9、元: =. 由跃迁几率公式得,由波函数的正交性， 非微扰项为零。,E = (1/2)E0expi( t-kr)+c. c.,由Einstein关系，自发辐射系数：,其中：,真空中传播的电磁波： E = (1/2)E0expi(wt - kr)+c. c. 场能密度：r(wfi) = (1/2)e0 |E0|2d (w -wfi) 将|E0|2d (w -wfi) 代入，得：,Einstein 吸收系数 ：,上面的讨论表明，测量跃迁能量可以得到能级之间的能量差，即形式的矩阵元的信息；测量跃迁的速率，可以获得有关形式的矩阵元的信息. 能量状态和跃迁过程的测量是光谱学中的两类基本测量，这些测量建立了

10、宏观与微观之间的联系.,Beer-Lambert定律 设吸收频率为n的原子密度为ni(n)，强度I(n)的光束经过面积A长度dx的样品后的变化为 -dI(n)A = s(n)ni(n)dxI(n)A= a(n)dxI(n)A 吸收截面 s(n) 吸收系数 a(n)=ni(n) s(n) 对上式积分，光通过长度为L的介质，强度由I0减小到I，,dx,A,ni(n),1.2 光谱测量 A. 吸收光谱：,透射光强与频率的关系,称为透射光谱，测量方法,Y,X,单色仪,样品,探测器1,光源,PC 处理记录,探测器2,比 较,单色仪扫描同步信号,将透射光谱取常用对数得到吸收光谱,absorption,Tr

11、ansmission, optically thin,Transmission, optically thick,常用测量吸收光谱的仪器有： 紫外可见吸收光谱仪 (氘灯、钐灯经单色仪分光 200-700 nm) (基质吸收及带间跃迁) 可见红外吸收光谱仪 (钐灯、白炽灯 4001700 nm) (带间跃迁) 傅立叶变换红外吸收光谱仪 （5007000 cm-1) 原子、分子、官能团的振动吸收。,测量吸收谱的前提是介质对一定波长的光有透过。,Y,X,滤光片,单色仪,探测器,PC 处理 记录,白光 光源,B. 激发光谱： 反映上能级结构,样品,Absorption,excitation,X,Y,样

12、品,光谱仪,透镜,探测器,光源,PC 处理 记录,C. 发射光谱： 反映下能级结构,测量发射和吸收光谱的前提是该物质有光致发光。 测量发射谱时，激发光的波长是固定的，对监测位置连续扫描。 测量激发谱时，激发光的波长是连续变化的，监测位置是固定的。,2) 荧光衰减和时间分辨光谱,发光过程： (1)单分子过程 (2)双分子过程 单分子过程: 弱激发下的孤立中心的发光 在短脉冲弱激发下，不考虑受激辐射，也不考虑激发的传递和输运，激发态布居N随时间的变化由方程 dN/dt=-AN， N (t=0)=N (0) 描述，方程的解为 N (t)=N (0)exp(-At) t =1/A 瞬时发光强度为 I(

13、t)= -hw dN/dt = hw AN (t)exp(-At) 发光按指数规律衰减,Einstein自发辐射系数,激发态布居为N,AN,dN/dt=-AN N (t=0)=N (0),过程发生在一个“分子”内部,双分子过程 例如电子空穴对的复合发光 电子和空穴的布居分别为N1和N2 dN1/dt=-AN1N2=dN2/dt N2(t)-N1(t)=C=常数，设N1(t=0)=N1(0). 方程的解为,N1(0)/C AC,过程发生在两个“分子”之间,N2个,若N2(0)N1(0)，则N1(0)/C1，N2(0)C I(t)CN1(0)exp(-ACt) 为单一的指数过程. 另一方面，若N1

14、=N2=N，则方程变为 dN/dt=-AN2， N(t=0)=N(0) 它的解为,时间足够长时I(t)正比于t-2. 这种过程具有双曲线型的衰减曲线.,I(t)所含的信息： 发光中心与其它元激发的相互作用或发光中心间的相互作用引起的物理过程，例如无辐射跃迁、能量传递和输运，都对激发态的衰减产生影响，衰减曲线是研究这些问题的重要实验方法. 由于通常的测量是对含有大量原子的系统进行的，跃迁速率受某些随机因素的影响而产生的分布也影响到观察到的I(t). 即使是单分子过程，这些因素也可能导致衰减曲线的非指数性.,脉冲激发后的发光强度是时间和波长的函数，写为I(t, l). 固定l=l0，I(t, l0

15、)是波长l0处发光的衰减曲线；固定取样时间t=t0，I(t0，l)是时间分辨光谱. 用时间分辨光谱可以直观地区分衰减时间不同或激发后行为不同的发光峰. 因此，它被广泛地应用于动力学过程的研究.,单 色 仪,探测器,衰减曲线及分时谱的测量,脉冲光源,样品,数字 示波器,脉冲光源,样品,单 色 仪,延迟,触发,取样 平均,计算机,探测器,测量荧光衰减应注意的事项： 1. 脉冲光的宽度和重复频率 如果一个体系激发态的寿命是ms量级，要测量这一过程，那么， 两个脉冲间的时间间隔必须大于ms. 2. 探测器的光电响应时间 应短于ms;,激发态物理实验室的光谱测试条件简介： 1 常规光谱实验室： 紫外-可见吸收谱仪 200 900 nm 光源： 氘灯/钐灯 可见-近红外吸收谱仪 400 1700 nm 光源：钐灯/白炽灯 付力叶变换红外吸收谱仪 500 7000 cm-1 F-4500 荧光光度计 氙灯经单色仪 分光 200 900 nm,2 高分辩光谱实验室： 主要实验仪器： 光源 ： YAG: Nd （脉冲光：10 ns, 10 Hz, 0.2 cm-1） 1064 m 倍频