第9章 激光光谱技术 教案.docVIP

第9章 激光光谱技术 9.1 基本原理 9.2 提高光谱探测灵敏度的方法 9.3 高分辨亚多普勒光谱技术 9.4 时间分辨光谱技术 9.4 时间分辨光谱技术 9.4.1 超短激光脉冲的产生 9.4.2 超短激光脉冲的测量 9.4.3 寿命测量 概述 高速摄影：捕捉人眼看不到的动作瞬间 时间分辨光谱：研究物理或化学的瞬态过程的光谱技术 时间单位 （1）电子绕核运动周期，阿秒 （2）能级跃迁时间，电子能级跃迁，约几十阿秒 飞秒光谱——诺贝尔奖 1999年，Ahmed H. Zewail 由于利用飞秒光谱在实验上研究了化学反应的转移过程而获得诺贝尔化学奖。 Marcos Dantus, Mark J. Rosker, and Ahmed H. Zewail, Real-time femtosecond probing of “transition states” in chemical reactions, Journal of Chemical Physics, 1987, 87(4): 2395. Ahmed H. Zewail, Laser femtochemistry, Science, 1988, 242: 1645-1653. 9.4.1 超短激光脉冲的产生 各种锁模技术 主动锁模 被动锁模 自锁模 同步泵浦 碰撞锁模 纵模：与谐振腔长度相关，描述激光波长 （1）多模激光输出特性 如果增益曲线足够宽，通常可包括多个纵模 输出振幅： 输出光强： 相位差不恒定： 相位差恒定： 锁模——使相邻纵模的相位差恒定 锁模后的脉冲宽度，腔越短，使用的模数越多，脉冲宽度越小 锁模后峰值功率提高了2N+1倍 锁模的一个例子 一种周期性调制谐振腔参量的方法，在谐振腔内插入一个调制器，使调制器的调制频率精确地等于纵模间隔 （2）主动锁模 振幅调制，也称损耗调制 相位调制，也称频率调制 振幅调制 调制器产生的损耗(m1)： 纵模q调制后的振幅： 产生两个新的频率，它们与原先纵模的相位差为0： 振幅调制（Cont.） 如果调制器调制频率 那么新产生的频率也为激光纵模，就可实现前述原理的锁模 相位调制 调制相位为： 纵模q调制后的振幅为： 相位调制（Cont.） (1) n1： (2) N较大时： 主动锁模注意事项 要严格控制端面反射，防止标准具效应减少模数，破坏锁模效果 调制器要放在腔内靠反射镜处，可得到最大的耦合效果，并且调制器在通光方向的尺寸应尽量小 调制器的频率应严格调谐到c/2L，否则会使激光器工作超过锁模区而破坏锁模 基于饱和吸收效应的一种锁模方式 在谐振腔内插入饱和吸收染料池，染料池紧挨反射镜 要求：(a) 染料的吸收波长与激光波长重合或接近 (b) 染料吸收线宽大于或等于激光线宽 (c) 驰豫时间要短于脉冲在腔内往返一周的时间 （3）被动锁模 被动锁模的物理过程 线性放大阶段 自然选模 非线性吸收阶段 强脉冲迅速增长 非线性放大阶段 小脉冲全被抑制 自锁模，直接利用激光介质的非线性效应保持各个振荡纵模频率的等间隔分布 同步泵浦，采用一台主动锁模激光器的脉冲序列泵浦另一台激光器来获得窄脉冲 （4）其它锁模 一个问题 在某一波长所产生的最短脉宽有理论极限，即脉冲延续时间要大于光子振荡周期。 问题：可见光波段能否产生阿秒（10－18秒）脉冲？ 回答：不能，因为可见光的振荡周期为T=λ/c≈2×10-15秒，阿秒脉冲要在X射线或深紫外区才能产生。 9.4.2 超短激光脉冲的测量 （1）光电管与示波器探测技术 （2）条纹相机 （3）相关测量 示波器：Tektronix示波器，带宽6GHz，可测200 ps的脉冲 PIN二极管，响应时间为20 ps 可测量几百皮秒的脉冲，无法达到亚皮秒量级 （1）光电管与示波器探测技术 可达皮秒量级，不适合于连续锁模激光器，价格昂贵，结构复杂 （2）条纹相机 条纹相机将光脉冲的时间轴转化为了荧光屏的空间轴 把对脉冲的瞬时测量变成测量具有相对延迟的两个脉冲乘积的时间积分 （3）相关测量 （1）光脉冲一分为二，产生相位延迟，再将两脉冲叠加 （2）用线性探测器检测光脉冲 （3）通常利用二次谐波 实验装置 用于改变相位延迟 检测二次谐波 双光子荧光法，荧光强度与脉冲重合程度相关 9.4.3 寿命测量 它是时间分辨光谱的重要应用 通过寿命测量可获得跃迁几率、吸收截面、碰撞截面等物理量 测量方法有： (1) 频域测量法 (2) 相移法 (3) 单脉冲激发法 (4) 延迟符合技术 (5) 快离子束法 (6) 条纹相机 (7) 泵浦——探测技术 在均匀增宽体系中，光谱的时域和频域