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1、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El、E2的粒子数Nl、N2应保持平 衡，则有：【A + B P（v ）N = B p（v ） N21 21 2 12
2、 13. 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
3、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。非弹性碰撞与自 发辐射一样都是使得粒子寿命缩短，所以应与自
4、然展宽同属于Lorentz线型。Doppler加宽 谱线线宽不仅与温度、粒子质量有关，且与所发射光波的中心频率v0呈正比。粒子质量越 小，温度越高，光波频率越高，Doppler加宽越宽。对于同一谱线，谱线宽度随温度的升高 而增宽。9. 非均匀加宽：某部分粒子只对光谱线型的某一部分有贡献。均匀展宽：如果引起谱线加宽的 物理因素对每个粒子都是相同的，这样每一个粒子对谱线内任一频率都有贡献，这种频率加 宽就称做谱线的均匀加宽。10. 光电探测器的两个重要参数就是灵敏度和精度。11. 电子态、激发电子态、亚稳态及电子态的概念。（1）基电子态就对应原子、分子的最低 能量态。常温情况下，分子一般处于基电子
5、态的基振动能级上。（2）激发电子态能量高于 基电子态的电子态。（3）三（重）态激发态相对于基电子态没有偶极自发辐射（寿命远比具有 偶极自发辐射的能级寿命长ms量级），所以称为亚稳态。12. 单光子跃迁选择定则：A s=0, AL=0,+-1,Al=+-1;双光子激发跃迁选择定则为：A s=0, A L=0,+-2.第四章：1.Raman光谱正用来研究非极性分子（同核双原子分子，或非极性线型分子（例如 C02）基电子态的振转能级特性。2当一束频率为s0的光波入射液体、固体或气体时，会观察到其散射光频率有sVs 0 （Stokes）、3 = 3 O（Raylyeign scattering ）、s
6、 s O（Anti-stokes）。而瑞利散射强度是 Stokes、Anti-stokes强度的106109倍，这就是著名的Raman效应（散射）。Stokes强度比Anti-stokes 强。Raman效应是光子在分子上的非弹性散射，而辐射一个的光子，同时分子改变其初始 状态（Ei-Ef）。极性基团的振动、分子的非对称振动使分子的偶极矩发生变化，故是红外 活性的；非极性基团的振动、分子的全对称振动，使分子的极化率发生变化，故是 Raman 活性的。3. 在非线性光学中有一条不相容原理：具有对称反演的分子， Raman 活性和红外活性是不 可能同时存在的。4. 激光Raman光谱实验装置由三部
7、分组成：激光照射系统；Raman散射光收集系统； 信号处理系统。5. 受激Raman散射：Raman实验发现，当入射激光功率增强时,Raman散射介质（硝基笨） 的 Stokes 线强度迅速增强，发散角减小，线宽变窄。6. 自发Raman （线性）与受激Raman的比较：（1）自发Raman强度比泵浦光强度小十几个 量级，而受激Raman强度可以达到与泵浦光相同量级；（2）受激Raman要求泵浦光强度达 到某一阈值。（3）在受激 Raman 光谱中，当泵浦光很强时，会出现很多谱线，大多数 Raman 介质仅有一条或两条Stokes线；（4）自发Raman与受激Raman线宽均依赖于泵浦激光线宽
8、， 但若用更窄线宽的激光做泵浦光，受激 Raman 线宽比自发 Raman 线宽窄；（5）利用受激 Raman过程，可获得Raman激光输出，其调谐范围可以很宽。7. 相干Anti-stokes散射与相干Stokes散射是一种特殊形式的三阶非线性混频过程。8. CARS光谱的优点：（1） CARS光谱信号比自发Raman信号大104105倍；（2） CARS光谱 中测量的是频率为3AS=2sL-3SwL（sS）,的高频率光波，可用简单的滤光片滤去入射激 光和其他荧光； （3） 激光束具有很小的发散角，可以进行高的空间分辨率测量，这在有强背 景辐射的火焰、放电等离子体等样品的测量非常有利；Ant
9、i-stokes辐射来自于小的焦点 区，因此用很少的样品就可以进行CARS光谱的研究；（5）应用单色仪即可达到高的光谱分 辨率，在共线CARS谱中，其光谱线宽为As= （sL-sS） /sL,对于脉冲激光器已达到0.3 s0.6cm-1的分辨率。9. 小结（1） Ramman散射的概念：Raman散射是fwi光子与分子的非弹性碰撞散射，辐射 一个fws的光子，即光子能量差与分子振转能级相关联。（2） Stokes与Anti-stokes强度比较： Ranfen散射光强正比于初态的粒子数密度，而Stokes的初态是基振动态，Anti-stokes的初 态是较高振动态根据粒子数的玻耳兹曼分布 St
10、okes 比 Anti-stokes 强度大 倍（3）受激 Ramman 散射： 当光入射功率很强时， Raman 散射光会会随入射光强度迅速增 强，且发散角变小，线宽变窄，具备受激发射的特性，称为受激Raman散射，受激Raman 散射有阈值效应，只有入射光强超过某一阈值才能出现受激Raman散射现象，其强度可达 到入射光光强的量级（可达50% ） Anti-stokes位于与入射光成一小夹角的光锥体内。（ 4）、 CARS 光谱：当两束激光（w1 w2）入射Ramman介质时，两个hw1光子（或两个hw2光子）与一个hw2光子 （或一个hw1光子）发生混频效应，当满足相位匹配条件时，就会得
11、到很强的CARS谱线。 第二章： 1. 激光器的三要素：激光介质、泵浦源、激光谐振腔。2. 调谐激光器工作原理：工作物质的能级结构；泵浦-实现粒子束反转；自激振荡输 出；波长调谐。3. 激光器种类：固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器和参量激光器。4可调谐气体激光器：红外可调谐CO2激光器和紫外可调谐准分子激光器。（1）可调谐CO2 激光器（红外可调谐激光光源）a.CO2激光器的工作物质：CO2+N2（CO2激光器中一定要 加入辅助气体N2。原因：在气体放电中，有关激光跃迁的CO2振动能级的电子碰撞激发几 率基本相同，激光上能级无法实现粒子积聚而形成粒子数反转，而N2分子为同核双原
12、子分 子，振动激发态不能通过自发辐射向基振动态跃迁，所以N2分子的激发振动态可以实现粒 子积聚；由于N2分子的v=l振动态能量高度与CO2分子的激光上能级高度相近，可以实 现近共振碰撞能量转移，实现 粒子数反转。b.主要泵浦过程有：e*+N2 ( v=0) f N2*(v=1,2)+e N2*(v=1)+ C02(000)f C02(001)+N2 (v=0) 由于快电子将 N2 从 v=0 激 发到v=1，而处于v=1的N2分子粒子不能自发辐射回到v=0，导致v=1粒子数得到聚集，v=1 的N2与CO2 (001)发生近共振碰撞能量转移，导致CO2 (001)粒子数大于(100)和(020)
13、， 实现了粒子束反转，增益大于损耗。自发辐射符合腔模条件的自发辐射光子在谐振腔内往返 传播放大，实现激光自激振荡输出。c.波长调谐：转动定向光栅角度，就可以实现波长连 续可调的激光输出。对于定向光栅，光栅刻线的多少决定了光栅分辨率和衍射波长，而刻线 的角度决定了总体的光强分布，在定向光栅刻线的法线方向，光强最强。 (2) 所谓准分子就 是在基态不是以分子形式存在，只是在激发态以分子形式存在。以XeCl准分子激光器为例a. 准分子激光器工作物质及能级图：准分子激光的激光上能级(E1)为束缚态，下能级(E2) 为排斥态或弱束缚态，束缚态的准分子一旦跃迁到弱束缚态或排斥态，立即分解为原子。所 以激光
14、下能级始终是抽空的，只要激光上能级(E1)有粒子，就实现了粒子数反转，就会 有激光放大作用。并且激光跃迁对应排斥态，AE (hAv)就是准分子激光器的可调谐范围。b. 准分子激光器的泵浦：准分子激光器一般都是高气压(一般为23个大气压)、快放电(放 电过程一般在 10-8s 内完成)泵浦形式。 c. 波长调谐: 与其他可调谐激光器相同，在激光 谐振腔内加入可调谐元件(定向光栅或棱镜)，转动可调谐元件，就可实现激光调谐输出。5. 染料可调谐激光器(可见波段可调谐光源)：注意：脉冲宽度小于 ns 的脉冲光源不适用 染料激光器泵浦。a.染料激光器的工作介质是染料分子，染料分子与溶剂分子相互作用，致
15、使能级加宽，这种多振转模式加上能级加宽就构成了染料激光器大范围波长调谐的物理基 础 。 b. 泵浦源：染料激光器可采用闪光灯泵浦、脉冲激光器泵浦、连续激光泵浦、二极管 列阵泵浦。可获得连续激光输出。c.染料激光器的波长调谐:转动光栅就实现了波长调谐。 6对于负单轴晶体，仅有当基频光为o光，倍频光为e光时才有)可能实现倍频的相位匹配。1 2 1 1 2 2 基频光和倍频光振动方向相互垂直。7. 二次谐波在非线性晶体中相干增强的相位匹配条件为：8. 相位匹配方法主要有两种：一种是角度相位匹配，基频光以合适的入射角(相对于光轴) 入射晶体。另一种就是温度相位匹配，光波场垂直于光轴方向入射，折射率no
16、、ne会随温 度变化而变化，使之满足相位匹配条件(使nw=n2w).相位匹配条件：也就是说满足相位匹配 条件Ak=0时，只要参量晶体足够长，泵浦光足够强，可以在高增益下，由晶体中的参量辐 射噪音与泵光同相位耦合加强形成参量振荡。9. 只有当基频光为e光，倍频光为o光时，才有可能使得ns=n2s；在匹配角方向基频 e光的折射率与倍频o光的折射率相等new=no2w这就是正单轴晶体第一类相位匹配(e+e fo)。还有第二类相位匹配，就是基频光取两种偏振状态(o+e-o)。两种相位匹配的匹配角 Gm,可以通过计算得到。在倍频情况下，一般采用第一类相位匹配，入射一束偏振光，输 出偏振方向与基频光偏振方向相互垂直的倍频偏振光；而对于合频或差频的产生，只能采用 第二类相位匹配，两相互垂直的偏振光波场(e+o)入射非线性介质，输出与某一偏振方向(o或e)合频或差频光波场。第三章：1：主要五种光谱
