《光谱的线宽和线形》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光谱的线宽和线形（33页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光谱的线宽和线型,自由讨论： 1，有那些函数分布，分别代表什么过程？ 2，影响光吸收的物理因素有哪些? 3，光和原子相互作用有哪些过程？ 4，原子原子碰撞过程中，有哪些相互作用？ 5，光强对原子吸收的影响？,内容： 1，自然线宽 2，Doppler加宽 3，碰撞加宽 4，渡越加宽 5，饱和加宽,线宽 半高全宽(FWHM, Full Width at Half Maximum) = 半高宽 = 半宽(half width) = 线宽(linewidth)。谱线宽度来源自然、多普勒、碰撞、渡越，饱和等 线型 g() 线核 线翼,线核,一、辐射谱线自然线宽 激发态的原子用一个经典阻尼谐振子描写：,第
2、3.1节 自然线宽,Fourier Transfer,Normalized Lorentzian,可忽略,Relation between linewidth, decay rate, and lifetime:,If considering the ground state:,Natural linewidth,Energy uncertainty,Spontaneous emission Energy uncertainty (lifetime),一些跃迁谱线的自然线宽,一、吸收线性,Oscillator with driven force qE,宏观极化子：,Light speed in
3、 medium,Relative permittivity,相对介电常数,相对磁化率,Imaginary is absorption,Real is dispersion, phase velocity,Kramers-Kronig relation,Effective wave vector,第3.2节 Doppler线宽,相向运动时观察者感觉辐射场频率升高，反向时感觉频率降低,原子吸收 观察者 动 辐射源 不动,原子发射 观察者 不动 辐射源 动,(原子感受到的光频率) (共振条件 0 = ),原子实际吸收的光频 a L, 原子谱线的一级 (线性)Doppler频移,一、Doppler效应
4、 (一级),Maxwellian velocity distribution,Considering Doppler frequency shift (Doppler broadened distribution, Gussian distribution),Halfwidth,M mole mass/atom number (kg),Maxwell Distribution,Hot,Cold,T small,T large,“Hot” vs. “Cold”,速率 vs 速度,Doppler线宽计算举例,四、Lorentz线型与Gauss线型的比较,Lorentz 线宽(FWHM): n =
5、= Ai = 1/i n= n / 2 一般情况 n = (1/I + 1/k),Doppler shift,Natural profile,Center: G + L Wing: L,五、Voigt 线型,(Lorentz线型与Gauss线型的卷积) 实际观察到的谱线线型一般都是Viogt线型，通过反卷积分析得到L(-0)和G(-0),原子吸收和发射线性，同时受自发辐射和速度影响,第3.3节 碰撞加宽,R(A,B) 碰撞伙伴(对)A-B质心间距 碰撞频移，可正可负(取决于势能曲线/面) 2Rc 碰撞直径 c=Rc/v = 2ps (1nm/500ms-1) 碰撞时间(弹性),碰撞产生频移 与
6、加宽的原因： 内能差来自碰撞 平动能，非碰撞产 生改变体系内态,绝热近似、B-O近似 原子核重排(碰撞、化学反应)过程中，电子的电荷分布/跃迁(fs)可实时快速地调整(垂直跃迁),两体碰撞,辐射,B粒子数,吸收,测量I(,T) T 关系，可独立得到基态Vi(R)的信息：,碰撞后辐射谱线产生加宽与移动：,温度,内态发生变化,Lennard-Jones (12-6) 势： 诱导偶极矩-诱导偶极矩之间相互作用 Coulomb势： 两带电粒子之间相互作用,关于 V(R),正频移,碰撞频移来自碰撞对的动能转换,动能减少,负频移,动能增加,非弹性碰撞：导致（A,B)内态发生变化，例如A原子激发态Ei的淬灭
7、 消激发的淬灭过程与自发辐射一样减少发光的激发态原 子的布居数（淬灭碰撞） 非弹性碰撞导致加宽正比于压力（ 压力加宽） 但不产生频移 弹性碰撞： 不改变（A,B)的内态，但引起频移 扰相碰撞,气压,振子频率变化,振子相位变化,碰撞时间,Li,弹性碰撞既导致加宽又产生频移：,频移碰撞截面,展宽碰撞截面,碰撞频移,碰撞加宽,频移碰撞截面,加宽碰撞截面,弹性碰撞：,相互作用势与线移、线宽的关系,相移可正（Ci Ck）可负（Ci Ck），取决于碰撞伙伴自旋和角动量的相对取向。 对b的贡献主要来自小碰撞参数的碰撞，而大的碰撞参数的碰撞仍然对s贡献很大。即：远距离的弹性碰撞虽然不明显改变谱线的线宽，但仍然
8、可有效改变谱线中心频率位置。 带电粒子的相互作用可用线性和平方Stark效应描述。线性Stark效应仅影响加宽，而平方Stark效应也产生频移。,Dicke 窄化 (R.H.Dicke,1953),现象：在红外(IR)和微波(MW)区域，有时碰撞不是导致加宽而是谱线窄化(Dicke窄化) 物理：跃迁的上态寿命 碰撞平均时间。频繁的弹性碰撞使得寿命内平均速度分量变小，因而Doppler频移变小。如果平均自由程 跃迁波长，且Doppler加宽大于压力加宽时，出现谱线变窄。,缓冲气体碰撞也导致扩散速率增加，因而相互作用时间增长，渡越加宽相对减小 另一类碰撞窄化 （如：气泡Rb钟）,谱线的碰撞窄化,第
9、3.4节 渡越加宽,加宽的原因： 相互作用时间 T 自发辐射寿命sp 物理模型： 有限时间T震荡的谐振子 或 Gauss光场诱导偶极子,减小加宽的途径： 增加相互作用时间 via 加大激光束直径 or/& 减小原子速度 (e.g. 激光冷却),Fourier 变换,渡越时间,第3.5节 均匀与非均匀加宽,均匀加宽：所有原子所辐射（或吸收）的线型 （特定频率的跃迁几率分布）相同 包括： 自然线宽、不改变速度的弹性与非弹性碰撞加宽 渡越加宽、饱和与功率加宽 固体与液体中原子的辐射谱线的加宽 非均匀加宽：不同原子的辐射（或吸收）线型不一样 包括：Doppler加宽、无Doppler谱中改变速度的碰撞
10、加宽（光作 用时间自由光谱程/平均速度） 非均匀功率加宽（光谱烧孔） 固体与液体中不均匀环境杂质原子辐射谱线的加宽,第3.6节 饱和与功率加宽,加宽的原因： 光泵功率远大于弛豫速率，引起上能级粒子数布居的饱和 物理模型1： 二能级原子(g1=g2=1)稳态速率方程,漂白（无吸收）： s , N 0, 0,无光泵的吸收系数,频率依赖饱和参数,中心频率饱和参数,无饱和效应,有饱和效应,饱和光强：其增益为弱光条件下的1/2 S=1,1D,物理模型2： 二能级原子与辐射场的稳态相互作用半经典理论 （单原子，均匀加宽）,饱和参数,激发态的Rabi能级分裂VS饱和增宽比较,两峰,单峰,漂白 vs 强场驱动区别： 漂白 - 非相干泵浦； 强场共振驱动 - Rabi相干振荡，,泵浦探测：强场共振驱动的二能级原子，出现布居调制，因而探测光的响应（吸收）中出现边带（双峰结构，每个峰是饱和加宽的）。总线型是两边带的叠加。,谱线线型、线宽分类与比较,下节课： 光谱仪,
