能级寿命与谱线宽度

能级寿命与谱线宽度

能级寿命与谱线宽度是原子的两个重要的性质，它们在原子物理学和光谱学等研究领域中具有重要的意义。本文将讨论能级寿命与谱线宽度之间的相关性以及影响这两个性质的一些因素。

能级寿命是指原子或分子从一个能级向另一个能级跃迁所需的时间。这个跃迁的时间通常以激发态粒子的寿命表示。能级寿命的主要决定因素是跃迁的概率，即跃迁速率。跃迁速率取决于激发态的寿命和处于该激发态的粒子数。通常情况下，能级寿命较短的、较不稳定的激发态相对于寿命较长的、较稳定的激发态更容易进行跃迁。

谱线宽度是指光谱线的宽度，它表示了光波在频率或波数上的分布范围。谱线宽度主要由两个因素决定，即自然宽度和多普勒宽度。自然宽度是由不确定性原理引起的，它表示了能级寿命中的能量不确定性。多普勒宽度是由原子或分子的热速度引起的，在温度非零的条件下，原子或分子在空间上的速度分布会导致频率分布的展宽。

能级寿命和谱线宽度之间存在一定的相关性。首先，能级寿命越短，谱线宽度越宽。这是因为能级寿命短意味着高跃迁速率，其跃迁频率分布将更宽。另外，能级寿命和谱线宽度都受到温度的影响。在高温下，原子或分子的能级寿命变短，谱线也会更宽。这与能级寿命和多普勒宽度相关，因为高温会使原子或分子的热运动速度增加，导致多普勒展宽增大。

此外，能级寿命和谱线宽度还受到原子或分子之间的相互作用

影响。例如，在原子碰撞中，能级寿命会受到能级的共振与碰撞的竞争影响。这些相互作用可导致能级寿命的减少和谱线宽度的增加。同时，原子或分子与外部电场的相互作用也可能影响能级寿命和谱线宽度。外部电场可以通过斯塔克效应引起能级的劈裂和能级寿命的改变，从而导致谱线的分裂和宽度的增加。

综上所述，能级寿命和谱线宽度之间存在一定的相关性。能级寿命越短，谱线宽度越宽，且它们都受到温度和相互作用的影响。这些关系对于理解原子与分子的能级结构和光谱行为具有重要意义。

第二章作业

思考题： 1、均匀加宽和非均匀加宽的本质区别是什么？ 2、为什么原子（分子，离子）在能级上的有限寿命会造成谱线加宽？从量子理 论出发，阐明当下能级不是基态时，自然线宽不仅和上能级的自发辐射寿命有关，而且和下能级的自发辐射寿命有关，并给出谱线宽度与激光上、下能级寿命的关系式。 3、什么是多普勒加宽？从物理本质上阐明为什么气体工作物质的温度越高，分 子量（原子量）越小，多普勒加宽越大？ 4、三能级系统和四能级系统的本质区别是什么？为什么三能级系统比四能级系 统难实现粒子数反转分布？ 5、结合能级结构简图，推导三能级系统的小信号反转粒子数密度分布公式，并 分析影响因素。 6、什么是反转粒子数密度的饱和效应？ 7、什么是增益饱和效应？均匀加宽工作物质和非均匀加宽工作物质的增益饱和 的基本特征有何异同？ 8、在均匀加宽工作物质中，为什么入射光的频率越接近介质的中心频率增益饱 和效应越强，越远离中心频率增益饱和效应越弱？ 作业题 1、考虑某二能级工作物质，其E2能级的自发辐射寿命为τs2，无辐射跃迁寿命 。假设在t=0时刻E2上的原子数密度为n20，工作物质的体积为V，自发辐为τnr 2 射光的频率为ν，求： （1）自发辐射光功率随时间t的变化规律； （2）能级E2上的原子在其衰减过程中总共发出的自发辐射光子数； （3）自发辐射光子数与初始时刻能级E2上的粒子数之比η2（η2称为量子产额或E2能级向E1能级跃迁的荧光效率）。

2、某激光工作物质的自发辐射谱线形状呈三 角形，如图所示。光子能量h ν0=1.476eV 。高 能级自发辐射寿命τs2=5ns ，小信号中心频率增 益系数g 0(ν0)=10cm -1。求： （1）中心频率处线型函数的值。 （2）达到上述小信号中心频率增益系数所需要的小信号反转粒子数密度（假设折射率η=1）。 3、静止氖原子的3S 2-2P 4谱线中心波长为632.8nm ，设原子分别以0.1c, 0.4c 好0.8c 的速度向着观察者运动，问其表观中心波长分别为多少？ 4、He-Ne 激光器中Ne 20的632.8nm 谱线的跃迁上能级3S 2的自发辐射寿命τs2≈2?10-8s ，下能级2P 4的自发辐射寿命τs1≈2?10-8s ，放电管气压P ≈266Pa ，放电管温度T=350K ，试求 （1）均匀加宽线宽?νH ; （2）多普勒线宽?νD ; （3）分析在该激光器中，哪种加宽占优势（已知氖原子的碰撞加宽系数α=750kHz/Pa ）。 5、已知红宝石的密度为3.98g/cm 3，其中Cr 2O 3所占比例为0.05%（质量比），在波长为694.3nm 附近的峰值吸收系数为0.4cm -1。设在泵浦激励下获得小信号反转粒子数密度?n 0=5?1017cm -3。求中心波长小信号增益系数。（提示：每个Cr 2O 3分子的重量=M /N A ，M 为分子量，N A 为阿伏伽德罗常数） 6、室温下Nd:YAG 的1.06μm 跃迁的线型函数是线宽为195GHz 的洛伦兹线型函数。上能级的寿命τ2=230μs ，该跃迁的量子产额η2=0.42（量子产额为自发辐射光子总数与初始时刻上能级钕离子数之比），YAG 的折射率为η=1.82。求中心频率 辐射界面σ21。（提示：发射界面()(,)v A A g g λσνννππν==?222102121020 88）

第五章 局中心光跃迁中的电声子耦合问题

第五章 局域中心光跃迁中的电声子耦合问题 我们在讨论理想晶体的带间间接跃迁时，已经遇到过声子协助的光跃迁。这种跃迁是由光-电子和电子-声子相互作用共同引起的。在与杂质或缺陷相联系的局域中心的光跃迁中，同样会有声子协助的跃迁。与理想晶体情形不同,这种局域中心的电子能态，不再能用确定的波矢来标记，准动量守恒这一跃迁选择定则自然不再有效。这种电子态的能量，不像晶体中电子能带那样准连续地分布在一定允许范围内，而是呈分立的分布。这些分立能级间的跃迁本该给出窄的光谱线，但电-声子相互作用使光跃迁过程可以有声子参与,导致谱线变宽，或者，出现所谓的声子伴线和声子边带。而且，由于相互作用的大小与晶格振动的强弱（声子数的多少）有关，也即与温度有关，因而与之相关的光跃迁过程往往表现出明显的温度依赖关系。 5.1 线宽和线型 5.1.1 能级寿命与光谱线的线型和线宽 局域中心分立能级间跃迁发出的光，并非一系列理想的单色光（线谱），每条谱线都有一定的光谱分布（称之为线型）。相应的，每条光谱线都有一定的光谱宽度，简称为线宽，它是线型的一个特征参数。谱线的线宽可以由多种原因造成。我们已经看到，与外界没有其它（除了辐射场）相互作用的孤立中心，如果处在激发态，都会通过自发辐射回到基态。也即，中心处于激发电子态的时间不是无限长，而是有一有限长的寿命。由测不准关系E t ??:h 可知，这样的状态的能量不是完全确定的，或说能级有一定的宽度。可以用能级寿命τ作为时间不确定程度t ?的估计，即t τ?:。于是，能级的能量不确定程度（宽度）就为E τ?:h ，相应跃迁的光谱线也就有一定的宽度1ωτ?:。 考虑一个由同类孤立中心组成的系统。为简单起见，假定中心只有基态和激发态两个能级。假定时刻0t =时，处于激发态的中心数为0N ，且在0t >时，没有外界对该系统的激发。由于存在到基态的自发辐射过程，处在激发态的中心数()N t 将随时间减少。设一个处于激发态的中心的自发辐射速率为W ，

激光中一些宽度的物理意义

关于激光中的一些宽度的物理含义(转) 激光中的一些宽度的物理含义觉得很不错，转来一哈了 一.激光介质的增益线宽, 实验上,它可以由激光介质的荧光光谱分布来决定,它反映了增益介质对不同频率的光子的增益 大小,一般固体激光器的增益线宽1nm左右.He-Ne激光器的大约为1500MHz,从物理上说,增益线宽是原子能级寿命产生的,这里还包括各种展宽机制,如均匀展宽,非均匀展宽等等. 二.纵模间隔 不同激光模式中心频率的差值,它由腔长和介质折射率决定. 三.激光线宽 激光起振后,会有一个或多个纵模产生,每个纵模的频率的范围就是激光的线宽.注意每个纵模的 频率宽度和纵模之间的间隔是两个不同的概念,纵模间隔是相邻两个纵模中心频率的差值.激光线 宽由谐振腔的品质因数决定,腔的品质因数越高,激光线宽就越窄. 考虑激光介质的增益后,激光的线宽的理论极限由增益介质的自发辐射来决定, 例如对于He-Ne,其线宽的理论极限约为10^-3 Hz量级.当然实际的激光器中还有各种线宽展宽机制,使的激光线宽一般达不到其理论极限,例如对于He-Ne,温

度变化0.01度引起的模式频率漂移约0.1MHz,实际He-Ne的激光线宽可达到 1MHz, 固体激光器中线宽可达1埃左右. 四.激光的相干长度相干时间 考虑激光的时间特性,每一个模式都可以看做是其线宽范围内的无穷多的平面波的叠加,最后在时 间域里得到得到一个波包,这个过程在数学上叫反傅立叶变换.时间域的波包乘上光速就得到光波的空间波包.波包的宽度(时间或空间)就反映了光束的相干性,因为这个波包里的光子都是处在同 一个模式里面,从而具有相干性,相干性的根源就来自光子的不可分辨性.激光的线宽越窄,波列就越长,对于连续运转的激光器,实际上是由很多这种相干波列组成. 五.激光的脉宽. 激光脉冲宽度的概念一般在脉冲激光器中使用,常见的有准连续激光器,脉宽在几十上百个微秒左右, 调Q脉冲激光器,脉宽在ns量级,锁模脉宽在ps,fs甚至更短,显然,脉宽越短,它包含的频谱分量就越丰富.☆ 六.能否在将几个阈值进行对比说明？ 激光的阈值很好理解，激光振荡产生于增益介质中的自发辐射光子，激光振荡建立的过程中 自发辐射的种子要在腔内的往返运动中被放大，这就需要有增益，而在激光腔内光子有各种各样的损耗，如激光介质不均匀性对光束的散射，腔内的衍射，激光介质对激光光子的吸收，腔镜的输出，等等，因此必须有一定的增益才能克服这些损耗从而实现并维持激光振荡的实现。这个最低的增益就是激光的阈值。

激光原理与技术习题一

《激光原理与技术》习题一 班级 序号 姓名 等级 一、选择题 1、波数也常用作能量的单位，波数与能量之间的换算关系为1cm -1 = eV 。 （A ）1.24×10-7 (B) 1.24×10-6 (C) 1.24×10-5 (D) 1.24×10-4 2、若掺Er 光纤激光器的中心波长为波长为1.530μm ，则产生该波长的两能级之间的能量间 隔约为 cm -1。 （A ）6000 (B) 6500 (C) 7000 (D) 10000 3、波长为λ=632.8nm 的He-Ne 激光器，谱线线宽为Δν=1.7×109Hz 。谐振腔长度为50cm 。假 设该腔被半径为2a=3mm 的圆柱面所封闭。则激光线宽内的模式数为 个。 （A ）6 (B) 100 (C) 10000 (D) 1.2×109 4、属于同一状态的光子或同一模式的光波是 . (A) 相干的 (B) 部分相干的 (C) 不相干的 (D) 非简并的 二、填空题 1、光子学是一门关于 、 、 光子的科学。 2、光子具有自旋，并且其自旋量子数为整数，大量光子的集合，服从 统计分布。 3、设掺Er 磷酸盐玻璃中，Er 离子在激光上能级上的寿命为10ms ，则其谱线宽度为 。 三、计算与证明题 1．中心频率为5×108MHz 的某光源，相干长度为1m ，求此光源的单色性参数及线宽。 2．某光源面积为10cm 2，波长为500nm ，求距光源0.5m 处的相干面积。 3．证明每个模式上的平均光子数为 1 )/ex p(1 kT hv 。

《激光原理与技术》习题二 班级 姓名 等级 一、选择题 1、在某个实验中，光功率计测得光信号的功率为-30dBm ，等于 W 。 （A ）1×10-6 (B) 1×10-3 (C) 30 (D) -30 2、激光器一般工作在 状态. (A) 阈值附近 (B) 小信号 (C) 大信号 (D) 任何状态 二、填空题 1、如果激光器在=10μm λ输出1W 连续功率，则每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数 是 。 2、一束光通过长度为1m 的均匀激励的工作物质。如果出射光强是入射光强的两倍，则该物 质的增益系数为 。 三、问答题 1、以激光笔为例，说明激光器的基本组成。 2、简要说明激光的产生过程。 3、简述谐振腔的物理思想。 4、什么是“增益饱和现象”？其产生机理是什么？ 四、计算与证明题 1、设一对激光能级为2E 和1E (设g 1=g 2)，相应的频率为ν(波长为λ)，能级上的粒子数密度分 别为2n 和1n ，求 (a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时，21/?n n = (b) 当λ=1μm ，T=300K 时，21/?n n = (c) 当λ=1μm ，21/0.1n n =时，温度T=？ 2、设光振动随时间变化的函数关系为 （v 0为光源中心频率）， 试求光强随光频变化的函数关系，并绘出相应曲线。 ⎩⎨⎧<<=其它,00),2exp()(00c t t t v i E t E π

《激光原理与技术》习题一

《激光原理与技术》习题一 班级 序号 姓名 等级 一、选择题 1、波数也常用作能量的单位，波数与能量之间的换算关系为1cm -1 = eV 。 （A ）1.24×10-7 (B) 1.24×10-6 (C) 1.24×10-5 (D) 1.24×10-4 2、若掺Er 光纤激光器的中心波长为波长为1.530μm ，则产生该波长的两能级之间的能量间隔约为 cm -1。 （A ）6000 (B) 6500 (C) 7000 (D) 10000 3、波长为λ=632.8nm 的He-Ne 激光器，谱线线宽为Δν=1.7×109Hz 。谐振腔长度为50cm 。假设该腔被半径为2a=3mm 的圆柱面所封闭。则激光线宽内的模式数为 个。 （A ）6 (B) 100 (C) 10000 (D) 1.2×109 4、属于同一状态的光子或同一模式的光波是 . (A) 相干的 (B) 部分相干的 (C) 不相干的 (D) 非简并的 二、填空题 1、光子学是一门关于 、 、 光子的科学。 2、光子具有自旋，并且其自旋量子数为整数，大量光子的集合，服从 统计分布。 3、设掺Er 磷酸盐玻璃中，Er 离子在激光上能级上的寿命为10ms ，则其谱线宽度为 。 三、计算与证明题 1．中心频率为5×108MHz 的某光源，相干长度为1m ，求此光源的单色性参数及线宽。 2．某光源面积为10cm 2，波长为500nm ，求距光源0.5m 处的相干面积。 3．证明每个模式上的平均光子数为 1 )/exp(1 kT hv 。

《激光原理与技术》习题二 班级 姓名 等级 一、选择题 1、在某个实验中，光功率计测得光信号的功率为-30dBm ，等于 W 。 （A ）1×10-6 (B) 1×10-3 (C) 30 (D) -30 2、激光器一般工作在 状态. (A) 阈值附近 (B) 小信号 (C) 大信号 (D) 任何状态 二、填空题 1、如果激光器在=10μm λ输出1W 连续功率，则每秒从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是 。 2、一束光通过长度为1m 的均匀激励的工作物质。如果出射光强是入射光强的两倍，则该物质的增益系数为 。 三、问答题 1、以激光笔为例，说明激光器的基本组成。 2、简要说明激光的产生过程。 3、简述谐振腔的物理思想。 4、什么是“增益饱和现象”？其产生机理是什么？ 四、计算与证明题 1、设一对激光能级为2E 和1E (设g 1=g 2)，相应的频率为ν(波长为λ)，能级上的粒子数密度分别为2n 和1n ，求 (a) 当ν=3000MHz ，T=300K 时，21/?n n = (b) 当λ=1μm ，T=300K 时，21/?n n = (c) 当λ=1μm ，21/0.1n n =时，温度T=？ 2、设光振动随时间变化的函数关系为 （v 0为光源中心频率）， 试求光强随光频变化的函数关系，并绘出相应曲线。 ? ??<<=其它,00),2exp()(00c t t t v i E t E π

仪器分析简答题

11．原子吸收谱线变宽的主要因素有哪些？ 一方面是由激发态原子核外层电子决定，如自然宽度；一方面是由于外界因素，多普勒变宽，碰撞变宽，场致变宽，压力变宽、自吸变宽、电场变宽、磁场变宽等。 1。自然宽度：谱线固有宽度，与原子发生能级间跃迁的激发态原子的有限寿命有关.可忽略2。多普勒变宽：由于无规则的热运动而变化，是谱线变宽主要因素。 3。压力变宽：由于吸光原子与蒸汽中原子相互碰撞而引起能级的微小变化，使发射或吸收的光量子频率改变而变宽。与吸收气体的压力有关。包括洛伦兹变宽和霍尔兹马克变宽。场致变宽：在外界电场或磁场作用下，原子核外层电子能级分裂使谱线变宽。 自吸变宽：光源发射共振谱线被周围同种原子冷蒸汽吸收，使共振谱线在V0处发射强度减弱所产生的谱线变宽. 原子吸收谱线变宽主要原因是受多普勒变宽和洛伦兹变宽的影响 12．说明荧光发射光谱的形状通常与激发波长无关的原因。 由于荧光发射是激发态的分子由第一激发单重态的最低振动能级跃迁回基态的各振动能级所产生的,所以不管激发光的能量多大，能把电子激发到哪种激发态,都将经过迅速的振动弛豫及内部转移跃迁至第一激发单重态的最低能级，然后发射荧光。因此除了少数特殊情况,如S1与S2的能级间隔比一般分子大及可能受溶液性质影响的物质外，荧光光谱只有一个发射带，且发射光谱的形状与激发波长无关。 13．有机化合物产生紫外—可见吸收光谱的电子跃迁有哪些类型? 在有机分子中存在σ、π、n三种价电子，它们对应有σ-σ*、π-π*及n轨道,可以产生以下跃迁: 1。σ-σ* 跃迁:σ-σ＊的能量差大所需能量高,吸收峰在远紫外(〈150nm)饱和烃只有σ—σ＊轨道，只能产生σ—σ＊跃迁,例如：甲烷吸收峰在125nm；乙烷吸收峰在135nm （< 150nm ） 2。π—π*跃迁：π-π*能量差较小所需能量较低,吸收峰紫外区（200nm左右）不饱和烃类分子中有π电子,也有π* 轨道，能产生π—π＊跃迁：CH2=CH2 ，吸收峰165nm。(吸收系数大，吸收强度大，属于强吸收） 3。n-σ*跃迁:n—σ＊能量较低，收峰紫外区(200nm左右）（与π-π＊接近）含有杂原子团如：—OH,-NH2 ，-X，—S 等的有机物分子中除能产生π—π*跃迁外，同时能产生n—σ＊跃迁 4. n-π＊跃迁:n—π＊能量低吸收峰在近紫外可见区（200 ~ 700nm)含杂原子的不饱和基团，如—C=O，—CN等 各种跃迁所需能量大小次序为：σ-σ＊〉n-σ*>π-π*〉n-π* 除外分子内部还有电荷迁移跃迁，指用电磁辐射照射化合物时，电子从给予体向接受体相联系的轨道上跃迁，实质是氧化还原过程,相应的光谱最大特点是摩尔吸光系数较大。 14、简单说明紫外-可见吸收光谱法、荧光光谱法、原子吸收光谱法的定量原理和依据是什么？ 请画出紫外分光光度法仪器的组成图（即方框图），并说明各组成部分的作用？ 答：作用： 光源：较宽的区域内提供紫外连续电磁辐射。 单色器:能把电磁辐射分离出不同波长的成分。 试样池：放待测物溶液 参比池：放参比溶液

光谱线展宽的物理机制

光谱线展宽的物理机制 摘要 本文首先介绍了原子光谱的形成和原子谱线的轮廓，以及用来定量描述谱线轮廓的三个物理量——谱线强度、中心频率和谱线半高宽。 接下来对光谱线展宽的各种物理机制作了定性或定量地分析。详细地推导了谱线的自然展宽、多普勒展宽（高斯展宽）和洛伦兹展宽的半高宽公式。并推导出了佛克脱半高宽、多普勒半高宽和洛伦兹半高宽之间的关系式。给出了赫鲁兹马克展宽（共振展宽）的半高宽公式。定性地分析了谱线的自吸展宽。以类氢离子为例说明了同位素效应引起的同位素展宽。定性地分析了原子的核自旋对谱线宽度的影响。说明了在有外电场或内部不均匀强电场存在的情况下谱线会产生斯塔克变宽，在有外磁场存在的情况下谱线会产生塞曼变宽。 最后对光谱线展宽的各种物理机制做了一个简单的总结，指出光谱线展宽的实质是光的频率发生了变化，各种新频率光的叠加导致了光谱线的展宽。并说明了对光谱线展宽的物理机制的研究，在提高光的单色性和物理量测量等方面具有重要的意义。 关键词：谱线展宽；物理机制；谱线轮廓；半高宽

THE PHYSICAL MECHANISM OF SPECTRAL LINE BROADENING ABSTRACT Firstly, we introduce the formation of atomic spectrum and the outline of atomic spectral line in this paper, as well as three physical quantities—intensity of spectral line, center frequency and half width of spectral line profile which are used to describe spectral line profile quantitatively. Next we analyze various physical mechanism of spectral line broadening qualitatively or quantitatively. The natural half width of spectral line, half width of Doppler spectral line profile (Gaussian spectral line profile) and half width of Lorentz spectral line profile are derived detailedly. And the relationship of half width of Voigt spectral line profile, half width of Doppler spectral line profile and half width of Lorentz spectral line profile is also derived detailedly. We introduce Holtsmark broadening (resonance broadening) and give half width of Holtsmark spectral line profile. It is introduced qualitatively how the Self-absorption broadening affects spectral line profile. Taking Hydrogenic ions for an example, we explain isotope broadening caused by Isotope effect. Spectral line broadening caused by nuclear spin is analyzed qualitatively. Stark effect can cause Stark broadening when there is external electric field or internal non-uniform strong electric field, and Zeeman effect can cause Zeeman broadening when there is external magnetic field. Finally, we make a summary on the physilcal mechanism of spectral line broadening, pointing out spectral line broadening is essentially a change in the frequency of spectral lines, and superposition of various spectral lines having a new frequency component leads to

原子的光谱分析与谱线的特征解析

原子的光谱分析与谱线的特征解析 光谱分析是一种重要的科学方法，通过对物质发射、吸收光的特性进行研究， 可以了解物质的组成、结构和性质。而原子的光谱分析则是光谱分析的重要分支之一，它通过研究原子在不同能级间的跃迁所产生的谱线，揭示了原子的内部结构和性质。 在原子的光谱分析中，谱线是一种重要的特征。谱线是由原子在不同能级间跃 迁时所产生的特定频率的光线。每个原子都有一组特定的能级，当原子从一个能级跃迁到另一个能级时，会吸收或发射特定频率的光线。这些特定频率的光线就构成了原子的光谱，也被称为谱线。 原子的谱线具有一些独特的特征，可以通过这些特征来解析原子的结构和性质。首先，谱线的位置可以反映原子的能级结构。不同元素的原子具有不同的能级结构，因此它们的谱线位置也不同。通过测量谱线的位置，我们可以确定原子的成分和组成。 其次，谱线的强度可以反映原子的跃迁概率。原子从一个能级跃迁到另一个能 级的概率取决于两个能级之间的能量差、原子的密度和温度等因素。因此，谱线的强度可以提供关于原子的跃迁概率和原子的状态信息。 此外，谱线的形状和宽度也包含了有关原子的信息。谱线的形状可以受到多种 因素的影响，例如原子的速度分布、相互作用和碰撞等。通过研究谱线的形状和宽度，我们可以了解原子的运动状态和相互作用方式。 除了这些基本特征外，原子的谱线还可以通过一些高级技术进行进一步的解析。例如，通过测量谱线的偏振性质，可以了解原子的自旋和轨道角动量等信息。通过测量谱线的时间延迟，可以研究原子的寿命和衰变过程。通过测量谱线的频率变化，可以研究原子与外界环境的相互作用。

总之，原子的光谱分析是一种重要的科学方法，通过研究原子的谱线特征，可以揭示原子的内部结构和性质。谱线的位置、强度、形状和宽度等特征都包含了有关原子的信息，通过对这些特征的解析，我们可以深入了解原子的性质和行为。随着科学技术的不断发展，原子的光谱分析将在更广泛的领域中发挥重要作用，推动科学研究和技术创新的进展。

能级平均寿命

能级平均寿命 能级平均寿命是一个重要的物理概念，它是描述原子、分子或其 他微观量子系统中能级的寿命平均值。通过研究能级平均寿命，我们 可以更好地理解物质的内部结构和相互作用，从而在许多应用领域中 发挥重要作用。 首先，让我们来解释一下什么是能级。在微观量子系统中，原子、分子或其他粒子的能量是量子化的，其状态被描述为在不同能级上的 分布。能级就好像楼梯，每个楼梯对应着一个特定的能量值。当粒子 从一个能级到另一个能级跃迁时，其能量也会相应地发生改变。 而能级平均寿命则是指在特定能级上的粒子的平均寿命。在微观 尺度下，这些能级的寿命非常短暂，通常以纳秒、皮秒甚至飞秒计。 粒子在能级之间跃迁的速度非常快，这样的跃迁导致能级的寿命变得 非常短暂。 能级平均寿命的研究对于许多领域都具有重要的意义。在能级平 均寿命的研究中，我们需要借助于科学仪器和技术，如激光和光谱学。这些研究可以帮助我们更好地理解原子和分子能级间的相互作用过程，以及在某些物质中光的传播和吸收的方式。 在光谱学中，能级平均寿命的测量可以通过观察原子或分子在不 同能级之间的跃迁以及它们自发辐射的强度来进行。通过这些实验和 测量，科学家们可以获得不同能级上的粒子的平均寿命值，并且可以 进一步分析和研究这些结果。

能级平均寿命对于光电子学、量子计算、材料科学等领域都具有重要的应用意义。在光电子学中，关于能级平均寿命的研究可以帮助我们设计更高效的光电子器件，如光纤通信系统、激光和太阳能电池等。在量子计算中，能级平均寿命的研究可以为我们提供更多关于量子比特之间相互作用和耦合的信息，从而提高量子计算的速度和稳定性。在材料科学中，了解能级平均寿命可以帮助我们设计和制造具有特定功能和性能的材料，如催化剂、光学材料和半导体材料等。 总之，能级平均寿命是一个重要的物理概念，它帮助我们理解微观世界中原子、分子和其他粒子的能级结构和相互作用过程。通过研究能级平均寿命，我们可以在光电子学、量子计算和材料科学等领域中做出重要的应用贡献。因此，继续深入研究和探索能级平均寿命的特性和性质将对我们的科学发展和技术创新产生积极的指导意义。

电子自旋共振(ESR)实验

电子自旋共振(ESR)实验 泡利(Pauli)在1924年提出电子自旋的概念，可以解释某些光谱的精细结构。1944年，原苏联学者扎沃依斯基(E ．K ．ЗАБОИСКИИ)首先观察到电子自旋共振现象。 电子自旋共振(ESR)的研究对象是含有未偶电子(或称未配对电子)的物质。通过对这些物质ESR 谱的研究，可以了解有关原子、分子及离子中未偶电子的状态及其周围环境的信息，从而获得物质结构方面的知识。这一方法具有很高的灵敏度和分辨力，而且在测量过程中不破坏样品的物质结构，因此，在物理、化学、生物学和医学等领域有着广泛的应用。此外，ESR 也是精确测量磁场的重要方法之一。 一、实验原理 ESR 的基本原理与NMR 相似，下面作简要说明。 按照量子力学，电子自旋角动量 )1(||+=s s P s ，其中，s 为电子自旋量子数， h h s ,2/,2 1π== 为普朗克常数。电子自旋磁矩s μ 与电子自旋角动量s P 的关系式为 s e s P m ge 2-=μ (1) 式中，e 为电子电荷，e m 为电子质量，g 称为朗德因子，对自由电子来说，0023.2=g 。当电子处于稳恒磁场中时，原来的单个能级将劈裂为两个能级，如图1所示。相邻能级的间隔为 B g E B μ∆= (2) 式中T J m he e B /102741.9224-⨯=- =μ，称为玻尔磁子，B 是稳恒磁场的磁感应强度。 图1 电子能级分裂示意图 根据磁共振原理，如果在与B 垂直的平面内，施加一个频率为v 的交流磁场1B ，当满 足条件

B g E hv B μ∆== (3) 电子就会吸收磁场1B 的能量．从下能级跃迁到上能级。这就是电子自旋共振现象。因角频 率v πω2=,上式可改定为 B h g B μω= (4) 或 gB m e e ω2= (5) 由电子自旋共振测出ω和g B ,为常数，就可求得电子荷质比。 因玻尔磁子约为核磁子的1836倍，即电子自旋磁矩比核磁矩大三个数量级，在同样磁场作用下，电子塞曼能级之间的间距比核塞曼能级间距大得多。根据玻尔兹曼分布定律，上、下能级间的粒子数差额也大得多。因此，电子自旋共振信号比核磁共振信号强很多。磁感应强度B 为0.1～1特斯拉时，核磁共振发生在射频范围，电子自旋共振则发生在微波频率范围。然而，对于电子自旋共振，即使在较弱的磁场下，例如mT 1，在射频也能观察到电子自旋共振现象。本实验是在弱磁场下，用较简单的实验装置观察电子自旋共振现象。 二、实验装置 实验装置示意如图2所示，它由ESR 电源，探测器／边限振荡器、示波器、标准高频信号发生器、直流稳态电源、安培表、滑线变阻器等组成。 图2 实验装置图 稳恒磁场和扫场用同一螺线管产生，螺线管直径18.3=d 厘米，长00.7=l 厘米，线圈总匝数为300匝。螺线管中部磁感应强度可由下式计算：

激光光谱学

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E1、E2的粒子数N1、N2应保持平 衡，则有: 3. 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：Δs=0, ΔL=0,+-1,Δl=+-1;双光子激发跃迁选择定则为：：Δs=0, ΔL=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 CO2））基电子态的振转能级特性。 2.当一束频率为ω0的光波入射液体、固体或气体时，会观察到其散射光频率有ω＜ω0 （Stokes ）、ω=ω0(Raylyeign scattering )、ω＞ ω0(Anti-stokes)。而瑞利散射强度是Stokes 、 Anti-stokes 强度的106~109倍，这就是著名的Raman 效应（散射）。Stokes 强度比Anti-stokes []11222121)()(N B N B A νρνρ=+

激光原理及应用 激光小结整理

第一章 主要内容：1.光的波粒二象性。2. 原子的能级和辐射跃迁。3. 光的受激辐射。4. 光谱线宽度5. 激光形成的条件。 1.光的偏振特性：激光器的输出多为线偏振光，而普通光源发出的光基本上是自然偏振光。 2.真空中光速、频率和波长之间的关系： 3.平面波的行波方程： 4.光子的能量公式： ，光子能量公式在研究激光的激发时是经常用到的。 5.表征电子运动状态的四个量子数：主量子数、辅量子数、磁量子数、自旋量子数。 6.波尔兹曼定律（统计规律）： 7.辐射跃迁与非辐射跃迁的主要区别：辐射跃迁伴随光子的发射或吸收，遵守跃迁选择定则；而非辐射跃迁并不伴随光子的发射和吸收，不遵守跃迁选择定则。 8.普朗克黑体辐射的单色辐射能量密度公式： 9.自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系： 10.受激辐射光功率体密度与自发辐射光功率体密度比： 11.多普勒效应引起的频率改变： 12.自然增宽 、碰撞增宽、多普勒增宽之间的关系：①综合增宽是均匀增宽和非均匀增宽的迭加。②均匀增宽包括自然增宽和碰撞增宽，其线型函数为洛伦兹函数。③非均匀增宽主要是多普勒增宽，其线型函数为高斯函数。④气体激光器中自然增宽要远小于碰撞增宽和多普勒增宽。固体激光器中均匀增宽主要是自然增宽。 13.工作介质中光强衰减公式： 14.工作介质中光强增益公式： 15.产生激光必须具备的三个条件：工作物质、激励源、谐振腔。 第二章 主要内容：1. 激光器的主要组成部分——光学谐振腔及其稳定性。2. 激光器工作过程的数学模型——速率方程。 （1）粒子数密度反转条件（2）均匀介质中的增益系数和增益饱和（3）非均匀介质中的增 ν λ0=c () t i U U ωex p ~=h ν =εkT E i i i e g n -∝1 1833-⨯ =kT h νe c h νπρνdt n B dt n B dt n A νν1 12221221ρρ=+νν νh ν c A B A t n h νB t n h νt q t q ρπρρ3321212122128)()()(==⋅⋅=自激）（0 11ν c υc υν-+=Az e I z I -=)0()(Gz e I z I )0()(=