无多普勒展宽光谱技术1

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1、第七章无多普勒展宽光谱技术第一节饱和吸收光谱技术光谱学技术要求：高灵敏度、高光谱分辨率谱线的展宽限制了光谱的高分辨，也就限制了人们对原子、分子与物质结构更精细结构信息的了解。重要的展宽来源：碰撞展宽与多普勒展宽。碰撞展宽可以通过低气压实验来压窄。饱和吸收是无多普勒展宽光谱技术的基础。1拉姆凹陷与饱和吸收静止、孤立的受激原子的辐射线型为：原子以速度u运动时的辐射线型为：多普勒频移：考虑一入射光束与处于热运动的N个二能级原子间的相互作用，设频率为ω的单色光沿z方向通过样品池，原子吸收入射光后从基态1跃迁到激发态2,原子

2、的吸收线型：能级1上的粒子数变化为：对于稳态情况，可解得：对于气体，热平衡时，速度分量在uz-uz+duz间的第i能级上的分子数为：最可几速度式中S=B12ρ/R为受激吸收率与驰豫率之比，饱和参数在频率为ω的单色光作用下，在N1(uz)的分布曲线上，有一个以(ω-ω0)/k为中心的“烧孔”－贝纳特(Bennet)孔，孔的半宽度为，γ0为自然线宽，N2(uz)上有一对应的凸峰饱和吸收无多普勒光谱就是通过测量布居数速度分布曲线上的贝纳特孔来实现的考察吸收系数对uz积分得：多普勒线型内处处都下降一个因子，并且与频率无关。

3、这说明如果用一束可调谐激光，使其扫过原子的吸收区，则发现不了有贝纳恃孔存在．可采用两束激光．通常将一束波称为泵浦光，另一束为探测光．对稀薄气体介质，可以通过一个简单方法来获得这两束激光，即在样品池的一端放置一反射镜，将入射进样品池的光作为泵浦光，通过样品池后从反射镜反射回的称为探测光.设泵浦光为：从反射镜反射回的探测光强度近似与入射光相等，即两束光就在多普勒分布曲线上烧出了两个贝纳特孔。两个孔分别的位于调谐入射光的频率，使之接近布居数速度分布曲线的中心频率两孔将在处合并。物理含义：两束光波与的同一群原子相互作用，光

4、对的消耗也将大于的消耗，在吸收曲线上出现一个吸收系数减小的凹陷区。--------无多普勒(Doppler-free)凹陷贝纳特孔拉姆凹陷吸收系数：谱线中心有一个小的拉姆凹陷2饱和吸收光谱测量的注意事项(1)必须采用窄线宽的单模稳频激光器做激励光源，才能分辨饱和拉姆凹陷(2)激光形有足够的功率，以便在样品中产生饱和效应。(3)泵浦激光束和探测激光束的交角要尽量小，甚至完全重合(4)可以采用对透射光强进行探测，也可以对荧光光强进行探测(5)采用过高的样品气压会产生压力增宽，使拉姆凹陷模糊(6)实验系统的测量信噪比要非

5、常高，否则来自拉姆凹陷的信号会淹没在噪声中（7）拉姆凹陷的深度与被测样品分子的饱和光强参量有关，不同的被测对象饱和吸收光谱的测量难度很大不同。（8）为了消除吸收语线的多普勒本底，可以采用各种调制技术。3饱和吸收光谱实验装置腔外式饱和吸收光谱装置√激光线宽应小于样品的多普勒宽度，在可见光谱区，激光线宽应在MHz以下；√对泵浦光束调制引起分子布居数变化当激光频率接近被测谱线时，由于泵浦光的饱和作用，吸收系数将发生变化。√光电检测器检测穿过样品池后探测光强的变化，经锁相放大器处理，输出无多普勒加宽的信号√单模染料激光分成

6、两束等强度激光，它们以反向共线的方式通过样品池；√在样品池的侧面用透镜L收集样品分子发射的总荧光；强度内调制饱和光谱荧光测量装置√两束激光分别以不同的频率斩波来调制它们的幅度两束调制的激光的强度：荧光光强与激发光强光强成正比：为吸收态的饱和布居密度，中心处，+锁相放大器以f1＋f2为参考频率进行锁相放大，便可以将频率为f1和f2的线性多普勒背景抑制，提取出频率为f1＋f2的无多普勒饱和信号。第二节双光子无多普勒光谱学1、基本原理光子动量P与频率ν和传播方向n（或波矢k)关系：频率相同但传播方向不同的两束光具有不同的

7、动量，两束传播方向相反的光，它们的动量绝对值相同但方向是相反的。谱线多普勒展宽本质上就是运动速度不同的原子发射(或吸收)不同的光子动量所引起的。原子吸收(或发射)的是无动量的光子，谱线也就不会出现多普勒展宽。这就是无多普勒展宽的双光子吸收光谱学的基本思想设有两束光同时入射到样品分子上当分子从两列光波中各吸收一个光子而在能级i→j间实现受激跃迁，则如果分子以速度u相对于实验室坐标系运动，则在运动分子的参照系中，一个波矢为k，角频率为ω的电磁场的多普勒频移δω为共振条件：设两束激光的频率相等，传播方向相反，则多普勒频移

8、为零。通过检测能级j所发射的荧光来获得双光子吸收信号在饱和吸收光谱中，只有一小部分的分子对无多普勒窄共振有贡献，而在双光子吸收中，几乎所有的原子都对信号作出了贡献，这是双光子吸收的优势之处。2、应用举例钠无多普勒双光子吸收谱测量钠原子的超精细分裂。原子能级的超精细结构是由电子运动的磁场与核自旋磁场相互作用产生的。电子角动量核自旋角动量对钠原子，I=3/2。√