激光与光谱技术
一、激光产生原理
20世纪四个重要发明：原子能，半导体，计算机，激光
激光（Laser, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 雷射）：由受激而辐射的光放大
1、激光器的产生
20世纪初
迄今为止，光学已经有两千余年的历史，但在激光产生之前，人们使用的光源主要是炽热物体的热辐射和气体放电管，机理是自发发射，这是一个随机过程，相干性不好，两个光源甚至同一个光源的两点发出的光也不能形成干涉条纹。19世纪末赫兹发明了无线电波，20世纪初出现电子管后电磁波可由电子振荡器产生，可以产生单一频率持续时间任意长的完整正弦波，有很好的相干性，但波长只可以缩短至毫米波，因为放大器和选频用的谐振腔在电子学中无法实现。
激光的基
础1917
1917: Albert Einstein calculated the conditions necessary for this stimulated emission to occur.
关于光与物质相互作用的问题早在1917年爱因斯坦就作过研究，他在解释普朗克黑体辐射公式时明确指出只有自发发射和吸收两个过程是不够的，并由此提出“受激辐射”的概念，这也是激光的基础！
粒子数反转的状态
Townes et.al 20世纪50年代
提出用平行平面镜作为光的谐振腔实现光反馈
产生激光的理论与实验Schawlow, Townes,et.al
1958
1960：首台ruby激光器（可见光）研制成功
He-Ne激光器；
1962：半导体激光器；
1963：可调谐燃料激光器
This was using Ammonia gas and produced amplified Microwave r adiation instead of visible light (called a MASER微波发射器) in 1954. For this they shared the 1964 Nobel prize for Physics.
Maser: 微波段; Laser: 3000埃-1000000埃
对于热平衡物质，下能级的布居数大于上能级的布居数，所以要想光被放大就需要设法使布居数反转，20世纪50年代汤斯等人对氨分子束能级实现了布居数反转并于1954年研制成功了利用受激发射放大产生微波振荡的微波发射器。进一步要推向更短的光频段必须找到可以实现光放大的工作物质和产生光振荡的谐振腔。1958年美国肖洛、汤斯等人几乎同时提出了用平行平面镜作为光的谐振腔，用镜面反射实现光反馈的产生激光的理论与实验。紧接着，1960年梅曼用红宝石制成第一台可见光激光器，同年制成氦氖激光器；1962年产生了半导体激光器；1963年产生了可调谐染料激光器。由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性，所以自激光出现以来得到了迅速的发展和广泛应用，引起了科学技术的重大变化。
2、激光器的结构
?激光工作介质
?激励源
?谐振腔
红宝石激光的示意图
1、激光介质可以是气体、液体、固体和半导体，要求存在亚稳态能级为实现粒子数反转之必要条件；现有工作介质近千种，可以产生的激光波长从真空紫外到远红外，非常广泛；
2、激励源使介质出现粒子数反转。可以是电激励、光激励、热激励、化学激励等等。电激励用气体放电的方法去激励介质原子；各种激励方式又被形象地称为泵浦或抽运。不断泵浦才能维持上能级粒子数多于下能级，不断获得激光输出。
3、有了前两者只能保证实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用，所以可以用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔实际是在激光器两端装上两块反射率很高的镜子，一块全反射，一块部分反射，以使激光可透过这块镜子射出，被反射回到工作介质的光继续诱发新的受激发射，光被放大。因此光在谐振腔内来回振荡造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜一端输出。
按工作介质的不同来分类，可以是固体、气体、液体、半导体激光器。固体激光器特点器件小，坚固、使用方便、输出功率大但电源一般都比较庞大。比如钛宝石激光器一般采用半导体激光器泵浦，常采用环形腔，可以是连续或是脉冲式的；…
3、激光器的种类
按工作介质的不同分类
?固体激光器（Nd:YAG、Ti:Sapphire等）
特点：器件小、坚固、使用方便、输出功率大
连续100W以上
脉冲峰值则更高
钛宝石激光器
?气体激光器（He-Ne、CO2、Ar+ 激光器等）
特点：结构简单、造价低，操作方便，工作介质均匀、光束质量好，长时间稳定连续工作
氦氖激光器(Helium Neon lasers): Wavelength: 632.8nm；Power: ～mW；Efficiency: < 1%；A few thousand volts discharge is used, with a current of 10-20 milliamps. They can be cooled effectively by air.
CO2激光器(Carbon Dioxide lasers): Wavelength: 10.6mm; Power: ~10W; Efficiency: ~ 30%; Up to 30 % efficiency can be achieved and it is easy to produce a beam of 100 Watts of energy. Using laser tubes tens of metres in length enable many kilowatts of energy to be produced.
Ar+ Laser: Wavelenth: 514.5nm; Power: ~W Efficiency: ~1%
气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便；工作介质均匀、光束质量好，能长时间稳定连续工作等特点也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有市场的60％左右。氦氖激光器输出波长632.8纳米，功率约几个毫瓦，采用几千伏高压的电激励，工作电流10-20毫安，可以采用内腔式、外腔式、半外腔式结构的光学谐振腔；CO2激光器输出波长1064纳米，功率一般约10瓦左右，…；
?液体激光器（燃料激光器等）
特点：输出波长连续可调，覆盖面宽，但工作原理比较复杂。一般激光泵浦
液体激光器输出波长连续可调，覆盖面宽，但工作原理比较复杂。常用的是染料激光器，采用有机染料为工作物质，利用不同的染料可以获得不同波长的激光（在
可见光范围内），一般用激光作泵浦源，如氩离子激光器等。
?半导体激光器（GaAlAs、InGaAs等）
利用半导体介质掺杂;
Wavelength: infra-blue
Power: mW~W;
Efficiency: high efficiency
?特点：体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固。
半导体激光器特点是体积小、质量轻、寿命长、结构简单而且坚固等，波长范围可以从红外到蓝光，功率从毫瓦量级到瓦级都有，光光转换效率较高。常用的有砷化钾激光器，发射840纳米的激光。另有掺铝的砷化钾、砷化锌等。激励方式有光泵浦、电激励等等。
按激光的输出方式不同分类
连续激光器
脉冲激光器
根据激光输出方式的不同又可以分为连续和脉冲激光器，其中脉冲激光的峰值功率可以非常大。
4. 激光的基本特性
A. 单色性(单频性相干性，位相相同)
B. 准直性(发散角小)
C. 高功率密度(CO2:10.6 m m数十瓦到数百瓦,腰斑直径：<0.2 mm)
Comparison 100 Watts Laser Beam Vs 100 Watts Light Bulb
P.D = P/A
Spot Size Diameter(D) = 1 cm Area = 0.79 cm2
P.D = 100/0.79 = 127 W/cm2 SPHERICAL(SP)
(D) = 1 m = 100 cm
SP Area =125.664 cm2
P.D = 100/125664 = 0.0008 W/cm2
Conclusion:
100 W Laser Bream Energy Equal To 160,000 Times of 100 W Light Bulb's Energy.
D. 定位精度高( 0.01mm)
激光的单色性强，相干性好，发散角小，从而功率密度较高；对比100瓦的激光光束和灯泡的一些参数可得到结论：即100瓦的激光能量密度相当于100瓦灯泡的16万倍！所以可以加工几乎所有的材料。另外定位精度高，可以进行微区或定点的光谱分析等等！
5. 激光的应用
激光信息存储与处理、激光材料加工、
激光医学与生物学、激光通讯、
激光印刷、激光光谱学、激光化学、
激光分离同位素、激光核聚变、
激光检测与计量、军用激光技术等等
激光信息存储与处理、激光材料加工、激光医学与生物学、激光通讯、激光印刷、激光光谱学、激光化学、激光分离同位素、激光核聚变、激光检测与计量、军用激光技术等等，激光的出现极大地促进了这些领域的技术进步和前所未有的发展。
激光在生物医学方面的应用
https://www.doczj.com/doc/112532087.html,ser Skin Surgery（激光皮肤外科）
2.Dermatology （皮肤医学）
https://www.doczj.com/doc/112532087.html,ser Dentistry （激光牙科学）
4.Podiatry （脚病学）
5.Veterinary Medicine （兽医）
https://www.doczj.com/doc/112532087.html,ser Applications in Otolaryngology（激光在耳鼻喉学中的应用）
7.Neurosurgery （神经外科）
8.Photodynamic Therapy （光动力治疗）
9.General Surgery （普通外科）
比如激光在生物医学临床方面即有如此广泛的研究！
二、激光光谱技术的发展与应用
1、激光光谱学的发展
?用棱镜发现了光的色散现象----1666牛顿→由此开始了光谱学的发展
?用棱镜光谱仪观察到太阳谱线----1814夫琅和费→由此逐渐进入光谱学发展的盛期
?展开吸收、发射和散射光谱（喇曼散射）研究?冶金、电子、化工、医药、食品等----20世纪初
→经典光谱学得到了广泛的应用
激光光谱学是自激光技术出现以来在传统光谱学基础上发展起来的一门新兴学科。传统光谱学已有300多年的历史。1666年伟大的科学家牛顿用棱镜发现了光的色散现象，由此开始了光谱学的发展，不过在起初的一百多年内，其发展极为缓慢，直到1814年著名的物理学家夫琅和费用他发明的棱镜光谱仪观察到太阳谱线开始，才逐渐进入光谱学发展的盛期，除了对吸收与发射光谱的研究外，还相应发展了对散射光谱的研究，特别是喇曼散射的发现，即在光发生散射时，除了原有频率之外，散射光中还有一些其它频率的光出现，通过喇曼散射可以研究物质的结构与组成等！其实光谱学作为一门实用性学科是由物理学家和化学家共同开创起来的。到20世纪初，传统光谱学已经十分成熟并在冶金、电子、化工、医药、食品等工业部门都成为相当重要的分析手段。
?激光器的产生给光谱学注入新的活力----1960
激光的单色性使分光器件分辨率提高
激光的高强度提高了探测的灵敏度；产生非线性光谱效应
激光的高度方向性可对微区或定点的光谱分析成为可能
→由此进入激光光谱学的发展阶段
↓
激光光谱技术的三大典型优点：高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率
尽管传统的光谱学在物质研究中获得了多方面的应用，但在激光问世之前，它的进一步发展已经面临着不可逾越的鸿沟。首先传统光谱学使用普通光源，探测分辨率低，而增强其单色性，又不得不以降低光强为代价，这样又会影响到探测的灵敏度，此外，在弱光辐射下光谱中的许多非线性效应表现不出来，因此包含物质结构深层次的信息被阻断。60年代高强度、高单色性激光的出现给光谱学这门学科注入了新的活力，在其后发展的激光光谱学中，激光光源的优越性被发挥的淋漓尽致。比如激光的单色性使分光器件分辨率提高，高强度提高了探测的灵敏度，而且强光与物质粒子的相互作用中，产生了各种可观测的非线性光谱效应；此外激光的高度方向性又使对微区或定点的光谱分析成为可能。在激光光谱学中，作为光谱分析手段的激光光谱技术由于其高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率也倍受重视，在许多科学技术领域有着非常广泛的应用前景！
2. 激光光谱技术的应用
?激光同位素分离(化学)
把激光光谱技术与光化学结合，工艺技术简单、设备小、效率高、成本低
?激光遥感技术—应用于大气和海洋环境监测
运用激光光谱技术确定大气成分、浓度及空间分布
?生物学—研究生物分子和细胞
激光微束仪研究单细胞生物物理和生物化学过程
激光喇曼光谱研究生物分子的结构和动力学等信息
?医学—医学研究和临床上治疗各种疾病
光敏疗法利用激光光谱技术进行诊断和治疗癌症
光化学方法应用激光光谱技术治疗皮肤病
激光喇曼光谱可用于体内气体的检测
在化学方面，激光光谱技术与光化学结合进行同位素分离，工艺简单、设备小、效率高、成本低。方法是基于气相状态时去选择性激发所要得到的原子或分子同位素。例如作为核能原料的铀235和同位素铀238在分离的原理及技术上都已经十分成熟。
在环境科学方面，广泛应用于大气和海洋环境监测的激光遥感技术是运用激光光谱技术来确定大气成分、浓度及空间分布等，对人类是十分有意义的！
生物学方面，用激光光谱技术可以研究生物分子和细胞等；例如激光微束仪又称为激光显微镜，是激光器与显微镜相结合的一种光学仪器，可以研究各种DNA分子结构等等；喇曼光谱是研究分子振动的有力工具，所以激光喇曼光谱可以研究生物分子的结构和动力学等信息。
医学上，运用激光光谱技术可以治疗各种疾病，比如光敏疗法可进行诊断和治疗癌症；光化学方法应用激光光谱技术治疗皮肤病；激光喇曼光谱可用于检测体内气体！等等
三、常用光谱仪器的介绍
?光谱仪器的基本组成
照明系统 准直系统 色散系统 成像系统 接受、检测显示系统
?摄谱仪
１、棱镜摄谱仪
应用：氢原子光谱、谱线宽度测量等等
光谱仪器是进行光谱研究和物质光谱分析的装置，它的基本作用是测定被研究光的光谱组成，包括它的波长、强度、与轮廓等。一般光谱仪器的基本组成有：照明系统、准直系统、色散系统、成像系统及接受检测显示系统。
摄谱仪的作用是将来自光源的复合光分解成光谱，并将其用感光板记录下来，既可以用于分析光谱，也可以作一台单色仪使用。根据分光形式的不同可以分为棱镜摄谱仪和光栅摄谱仪两大类。棱镜光谱只有一套，是利用光的折射原理进行分光，色散率与波长有关；光栅光谱一般有许多级，每一级是一套光谱，是利用光的衍射原理进行分光，其色散率与波长无关，较棱镜相比容易获得大的色散，且色散比较均匀。
若在望远物镜的焦面上放置感光底片，用来拍摄光谱的，则称为摄谱仪；
色散本领和色分辨本领是标志任何类型分光仪器性能的两个重要指标，这个在讲义附录里有介绍。
2.光栅摄谱仪
光栅摄谱仪一般使用反射式闪耀光栅，光学原理图如下图所示。
应用：钠原子光谱、氢原子光谱等等
?分光镜
?单色仪
如果光谱仪中的望远物镜装有目镜，可供眼睛来直接观察光谱，则称为分光镜；若焦面上放一狭峰，是用来将各种波长的光分离出来的，则称为单色仪。
?微弱信号检测原理---锁相放大器
相关检测原理：利用信号具有良好的时间相关性和噪声的互不相关性，使信号进行积累而噪声不积累的原理，从而把被噪声淹没的信号提取出来。跟踪滤波器
1.自相关检测
采用微弱信号检测技术，可以保证在被测信号功率小于噪声功率的情况下，仍能检测出信号，其方法有很多种，如平均积累法、计数统计法等等，我们主要介绍一下相关检测技术，原理是，利用信号具有良好的时间相关性和噪声的互不相关性，使信号进行积累而噪声不积累，从而把被噪声淹没的信号提取出来。从原则上讲，用窄带滤波器也可以从噪声中提取信号，但滤波器的中心频率必须调到信号频率上。对于周期不固定的信号，滤波器的频带不能过窄，因此信噪比的改善不可能太大。而相关检测相当于一个跟踪滤波器，因此没有这方面的限制。相关检测有自相关检测和互相关检测两种。自相关检测原理图如下，将被测信号和噪声信号之和分成两路，其中一路经过延迟器延迟一段时间，与未经延迟的同时送入乘法器，在将其经过积分处理后保留了信号输出，抑制了噪声。积分处理后的自相关信号有如下表达式。
对比：互相关测量抑制噪声的能力强；
但要求用与被测信号同频的参考信号。
互相关检测是利用一个与待测信号同频率的信号对被噪声干扰的信号作互相关处理，原理图如下：经过积分器后得到互相关信号表达式。比较前面的自相关检测表达式可知，互相关测量比自相关测量少两项，所以互相关检测抑制噪声的能力比自相关检测强。但是互相关检测要求用与被测信号同频率的参考信号，所以当被测信号未知时，一般还不能采用互相关检测。
3.锁相放大器—Lock-in Amplifier
互相关检测仪器
注意：1.若被测信号不是交流信号，则先进行调制（崭波等），后用Lock-in 检测；2. Lock-in 时间常数的选择：对噪声的抑制能力取决于等效噪声带宽的大小，与积分常数成正比，即信噪比的改善以牺牲测量时间为代价！
微弱信号检测最常用的仪器是锁相放大器，它便是采用互相关检测原理制成的，采用了相敏检波器来抑制噪声，并检测出信号的幅值和相位。相敏检波器是Lock-in 的核心，由一个乘法器和一个低通滤波器组成（低通滤波器相当于一积分器），它直接测出淹没在噪声中的被测信号，输出一个与被测信号成正比的直流电压，相位与参考信号的相位有关。相关器等效于一个带通滤波器，但确切地说是跟踪滤波器。这里需要注意的是：若被测信号不是交流信号，则需要进行调制如崭波等，把直流变为某一频率的交流，再用lock-in检测；另外是时间常数的选择:…
应用：结合光谱仪、崭波器等即可对光纤光栅光学特性进行测量；另外广泛用于激光稳频技术中
锁相放大器结合光谱仪、崭波器等即可对光纤光栅的光学特性进行测量。另外锁相放大器还广泛用于激光稳频技术当中。
四、激光光谱技术实验介绍
1.激光谐振腔与倍频实验
实验目的
?了解几种常见的激光谐振腔构型
?进一步了解并掌握固体激光器中钕玻璃激光器的调节
?了解二阶非线性效应中倍频的产生原理，和影响倍频效率的几种因素
光谐振腔构型
按稳定性条件来分，光学谐振腔可以分为稳定腔、非稳腔、临界腔三大类。稳定腔是指傍轴光线在腔内能往返多次而不横向逸出腔外，腔的几何损耗为零比如其中c、f；非稳腔则是指傍轴光线在腔内往返有限几次就从侧面逸出腔外，腔的几何损耗较大，但可以获得尽可能大的模体积和好的横模鉴别能力，以实现高工率单模运转，一般只适用于大功率激光器。图中其它腔属于临界腔，其中d是对成共焦腔，也属于稳定腔，任意傍轴光线往返多次不逸出腔外，经两次往返后自行闭合，是最重要的和最具有代表性的一种稳定腔。其它临界腔则属于介稳腔。平行平面腔在激光发展史上最先被采用，主要优点是：结构简单、光束方向性好发散角小、模体积较大，比较容易获得单横模振荡，缺点是调节灵敏度高，不易控制，球面镜的调节远不及其灵敏，另外球面镜加工精度高，形状偏差十分小，不会引起干涉图像的模糊，只会引起变形。
He-Ne激光器、外腔式钕玻璃激光器及其电源、晶体、像纸等等
实验装置
内腔式激光器结构简单，谐振腔长度不需调节，频率固定，非偏振。外腔式激光器的两个反射镜放在激光棒的外测，长度可调，频率可变，在激光棒的两侧按一定角度贴有布如斯特窗片，还可降低激光器阈值，输出线偏振光。本实验采用的泵浦源即是外腔式的钕玻璃激光器。
注意事项
?本实验采用高压大电容放电来激氙灯，注意高压危险；
?每次打完激光后均要放电；
?注意保护眼睛，放电时不能用眼睛正对光路；
3. 谱线宽度的测量（利用鲁末－盖格板测量汞灯谱线）实验目的
?了解与描述光干涉仪器性能相关的几个物理量
?了解棱镜摄谱仪的原理
?掌握谱线宽度的物理概念及测量方法
谱线强度曲线
实验原理图：
实验装置
汞灯、鲁末-盖格(L-G)板、棱镜摄谱仪、CCD、计算机等
4.细丝无接触测量及其图象处理方法
实验目的
?了解夫琅和费衍射理论和巴俾涅互补定理的应用
?掌握用光衍射方法测量细丝直径及其计算机图象处理方法实验装置
He-Ne激光器、细丝、定标屏和白屏、CCD、计算机、直尺等
.多模光纤双光束干涉与干涉条纹可见度分析
实验目的
?了解双光束干涉的基本原理，光纤的一般特性及其传输模式的概念?掌握应用光纤的调节方法
?掌握拍摄、冲洗双光束干涉照片的方法
?分析测量照片干涉条纹可见度
实验装置
He-Ne激光器、多模光纤两根、10倍聚焦镜两个、分光镜、光屏等
实验装置图6.全息图像存储
实验目的
?了解全息照相的基本原理和基本规律
?了解全息照相的意义，及与普通照相的区别
?了解傅立叶变换全息图的基本原理
?掌握全息图像的存储和提取信息的方法
?掌握一些照相的基本常识
意义
艺术照相、科研、生产等领域
实验原理图
实验装置
He-Ne激光器、4f 系统、底版及冲洗用具、白屏等
.光纤光栅光学特性的测量（待定）
实验目的
?了解Bragg 光栅的原理及其主要光学特性
?掌握锁相放大器的工作原理及使用方法
?掌握测量光纤Bragg光栅透射光谱及其他光学特性的方法
光纤光栅结构
Bragg光纤光栅是指利用单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术形成的全新光纤光栅，成栅后的光纤纤芯呈周期性分布，产生Bragg光栅效应。也叫短周期光纤光栅，满足布拉格条件的入射光被光纤光栅耦合到反射模中：λ=2nΛ，其中λ为光栅中心波长；n为纤芯有效折射率；Λ为光栅周期。
光栅的基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波
Bragg光栅工作的原理是由于光纤具有光敏特性，从而在周期性光强作用下沿着光纤轴向方向感生周期性折射率变化。
典型特点
?带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体；
?可靠性好、抗干扰能力强，抗电磁干扰、抗腐蚀、能于恶劣的化学环境下工作；
?光纤光栅的中心波长会随温度和应变而变化；……
Bragg光纤光栅的制备
早期:驻波法和光刻腐蚀法--成栅条件苛刻，成品率低。
目前:紫外光写入--优点是工艺简单，重复性好；缺点是难以同时制作高反射率和
窄线宽的滤波器，并无法实现调谐。
双光束干涉法(1989年GeryMeltz提出)、相位掩膜法、逐点写入法、在线成栅法
可随意调节Bragg
波长、简单灵活
意义
1.光纤光栅将成为未来全光通信网中的基石
2.光纤光栅传感器－－在桥梁、建筑、海洋石油平台、油田及航空、大坝等工程都可以进行实时安全、温度及应变监测
3.光纤光栅可调谐滤波器－－通过温度变化或机械装置调谐光纤光栅，可实现波长调谐。具有良好调谐速度和带宽，及良好的稳定性，可用于通信、传感及各种测试等
实验原理图
原子吸收分光光度计试卷 答卷人：评分： 一、填空题（共15 分1 分／空） 1. 为实现峰值吸收代替积分吸收测量，必须使发射谱线中心与吸收谱线中心完全重合，而且发射谱线的宽度必须比吸收谱线的宽度窄。 2. 在一定条件下，吸光度与试样中待测元素的浓度呈正比，这是原子吸收定量分析的依据。 3. 双光束原子吸收分光光度计可以减小光源波动的影响。 4. 为了消除火焰发射的干扰，空心阴极灯多采用脉冲方式供电。 5. 当光栅（或棱镜）的色散率一定时，光谱带宽由分光系统的出射狭缝宽度来决定。 6. 在火焰原子吸收中，通常把能产生1％吸收的被测元素的浓度称为特征浓度。 7. 与氘灯发射的带状光谱不同，空心阴极灯发射的光谱是线状的光谱。 8. 用原子吸收分析法测定饮用水中的钙镁含量时，常加入一定量的镧离子，其目的是消除磷酸根离子的化学干扰。 9. 使用火焰原子吸收分光光度法时，采用乙炔-空气火焰，使用时应先开空气，后开乙炔。 10. 待测元素能给出三倍于空白标准偏差的吸光度时的浓度称为检出限。 11. 采用氘灯校正背景时，空心阴极灯测量的是原子吸收＋背景吸收（或AA＋BG）信号，氘灯测量的是背景吸收（或BG）信号。 12、空心阴极灯灯电流选择的原则是在保证放电稳定和有适当光强输出的情况下，尽量选择低的工作电流。 二、选择题(共15 分1.5 分/题) 1．原子化器的主要作用是( A )。 A．将试样中待测元素转化为基态原子； B．将试样中待测元素转化为激发态原子； C．将试样中待测元素转化为中性分子；
D．将试样中待测元素转化为离子。 2．原子吸收的定量方法—标准加入法，消除了下列哪种干扰?( D ) A．分子吸收B．背景吸收C．光散射D．基体效应 3．空心阴极灯内充气体是( D )。 A．大量的空气 B. 大量的氖或氮等惰性气体 C．少量的空气D．低压的氖或氩等惰性气体 4．在标准加入法测定水中铜的实验中用于稀释标准的溶剂是。（D ） A．蒸镏水 B.硫酸 C.浓硝酸 D.（2＋100）稀硝酸 5．原子吸收光谱法中单色器的作用是( B )。 A．将光源发射的带状光谱分解成线状光谱； B．把待测元素的共振线与其它谱线分离开来，只让待测元素的共振线通过；C．消除来自火焰原子化器的直流发射信号； D．消除锐线光源和原子化器中的连续背景辐射 6．下列哪个元素适合用富燃火焰测定？( C ) A．Na B．Cu C. Cr D. Mg 7．原于吸收光谱法中，当吸收为1％时，其对应吸光度值应为( D )。 A．-2 B．2 C．0.1 D．0.0044 8．原子吸收分析法测定钾时，加入1％钠盐溶液其作用是( C )。 A．减少背景B．提高火焰温度 C．减少K 电离D．提高K 的浓度 9．原子吸收光谱法中的物理干扰可用下述哪种方法消除?( D ) A．释放剂B．保护剂C．缓冲剂D．标准加入法 10．下列哪一个不是火焰原子化器的组成部分？（A ） A．石墨管 B.雾化器 C.预混合室 D.燃烧器 三、简答题(共30 分) 1．用火焰原子吸收法测定水样中钙含量时，PO43-的存在会干扰钙含量的准确测定。请说明这是什么形式的干扰？如何消除？(8 分)
激光原理及应用[陈家璧主编] 一、填空题（20分，每空1分） 1、爱因斯坦提出的辐射场与物质原子相互作用主要有三个过程，分别是（自发辐射）、（受激吸收）、（受激辐射）。 2、光腔的损耗主要有（几何偏折损耗）、（衍射损耗）、（腔镜反射不完全引起的损耗）和材料中的非激活吸收、散射、插入物损耗。 3、激光中谐振腔的作用是（模式选择）和（提供轴向光波模的反馈）。 4、激光腔的衍射作用是形成自再现模的重要原因，衍射损耗与菲涅耳数有关，菲涅耳数的近似表达式为（错误！未找到引用源。），其值越大，则衍射损耗（愈小）。 5、光束衍射倍率因子文字表达式为（错误！未找到引用源。）。 6、谱线加宽中的非均匀加宽包括（多普勒加宽），（晶格缺陷加宽）两种加宽。 7、CO2激光器中，含有氮气和氦气，氮气的作用是（提高激光上能级的激励效率），氦气的作用是（有助于激光下能级的抽空）。 8、有源腔中，由于增益介质的色散，使纵横频率比无源腔频率纵模频率更靠近中心频率，这种现象叫做（频率牵引）。 9、激光的线宽极限是由于（自发辐射）的存在而产生的，因而无法消除。 10、锁模技术是为了得到更窄的脉冲，脉冲宽度可达（错误！未找到引用源。）S，通常有（主动锁模）、（被动锁模）两种锁模方式。 二、简答题（四题共20分，每题5分） 1、什么是自再现？什么是自再现模？ 开腔镜面上的经一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的自在现摸 2、高斯光束的聚焦和准直，是实际应用中经常使用的技术手段，在聚焦透镜焦距F一定的条件下，画出像方束腰半径随物距变化图，并根据图示简单说明。 3、烧孔是激光原理中的一个重要概念，请说明什么是空间烧孔？什么是反转粒子束烧孔？ 4、固体激光器种类繁多，请简单介绍2种常见的激光器（激励方式、工作物质、能级特点、可输出光波波长、实际输出光波长）。 三、推导、证明题（四题共40分，每题10分）
原子吸收分光光度法 1．试比较原子吸收分光光度法与紫外-可见分光光度法有哪些异同点？ 答：相同点：二者都为吸收光谱，吸收有选择性，主要测量溶液，定量公式：A=kc，仪器结构具有相似性． 不同点：原子吸收光谱法紫外――可见分光光度法 (1) 原子吸收分子吸收 (2) 线性光源连续光源 (3) 吸收线窄，光栅作色散元件吸收带宽，光栅或棱镜作色散元件 (4) 需要原子化装置(吸收池不同)无 (5) 背景常有影响，光源应调制 (6) 定量分析定性分析、定量分析 (7) 干扰较多，检出限较低干扰较少，检出限较低 2．试比较原子发射光谱法、原子吸收光谱法、原子荧光光谱法有哪些异同点？ 答：相同点：属于原子光谱，对应于原子的外层电子的跃迁；是线光谱，用共振线灵敏度高，均可用于定量分析． 不同点：原子发射光谱法原子吸收光谱法原子荧光光谱法 (1)原理发射原子线和离子线基态原子的吸收自由原子(光致发光) 发射光谱吸收光谱发射光谱 (2)测量信号发射谱线强度吸光度荧光强度 (3)定量公式lgR=lgA + blgc A=kc I f=kc (4)光源作用不同使样品蒸发和激发线光源产生锐线连续光源或线光源 (5)入射光路和检测光路直线直线直角 (6)谱线数目可用原子线和原子线(少)原子线(少) 离子线(谱线多) (7)分析对象多元素同时测定单元素单元素、多元素 (8)应用可用作定性分析定量分析定量分析 (9)激发方式光源有原子化装置有原子化装置 (10)色散系统棱镜或光栅光栅可不需要色散装置 (但有滤光装置) (11)干扰受温度影响严重温度影响较小受散射影响严重 (12)灵敏度高中高 (13)精密度稍差适中适中 3．已知钠蒸气的总压力（原子＋离子）为1.013 l0-3Pa，火焰温度为2 500K时，电离平
1.3 如果微波激射器和激光器分别在λ＝10μm ，＝5×10－ 1μm 输出1W 连续功率，试问每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？ 解：若输出功率为P ，单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n ，则： 由此可得： 其中346.62610J s h -=??为普朗克常数， 8310m/s c =?为真空中光速。 所以，将已知数据代入可得： =10μm λ时： 19-1=510s n ? =500nm λ时： 18-1=2.510s n ? =3000MHz ν时： 23-1=510s n ? 1.4设一光子的波长＝5×10－ 1μm ，单色性λ λ ?＝10－ 7，试求光子位置的不确定量x ?。若光子的波长变为5×10－ 4μm （x 射线）和5 ×10 －18 μm （γ射线），则相应的x ?又是多少 m m x m m m x m m m x m h x h x h h μμλμμλμλλμλλ λλλλλλλλ 11171863462122 1051051051051051051055/105////0 /------?=?=???=?=?=???=?==?=???=?=?P ≥?≥?P ??=P?=?P =?P +P?=P 1.7如果工作物质的某一跃迁波长为100nm 的远紫外光，自发跃迁几率A 10等于105S － 1，试问：（1）该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B 10是多少？（2）为使受激跃迁几率比自发跃迁几率大三倍，腔内的单色能量密度ρ应为多少？ c P nh nh νλ==P P n h hc λ ν= =
1.8如果受激辐射爱因斯坦系数B10＝1019m3s－3w－1，试计算在（1）λ＝6 m（红外光）；（2）λ＝600nm（可见光）；（3）λ＝60nm（远紫外光）；（4）λ＝0.60nm（x射线），自发辐射跃迁几率A10和自发辐射寿命。又如果光强I＝10W/mm2，试求受激跃迁几率W10。 2.1证明，如习题图2.1所示，当光线从折射率η1的介质，向折射率为η2的介质折射时，在曲率半径为R的球面分界面上，折射光线所经受的变换矩阵为 其中，当球面相对于入射光线凹（凸）面时，R取正（负）值。 习题
激光与光谱技术 一、激光产生原理 20世纪四个重要发明：原子能，半导体，计算机，激光 激光（Laser, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 雷射）：由受激而辐射的光放大 1、激光器的产生 20世纪初 迄今为止，光学已经有两千余年的历史，但在激光产生之前，人们使用的光源主要是炽热物体的热辐射和气体放电管，机理是自发发射，这是一个随机过程，相干性不好，两个光源甚至同一个光源的两点发出的光也不能形成干涉条纹。19世纪末赫兹发明了无线电波，20世纪初出现电子管后电磁波可由电子振荡器产生，可以产生单一频率持续时间任意长的完整正弦波，有很好的相干性，但波长只可以缩短至毫米波，因为放大器和选频用的谐振腔在电子学中无法实现。 激光的基 础1917
1917: Albert Einstein calculated the conditions necessary for this stimulated emission to occur. 关于光与物质相互作用的问题早在1917年爱因斯坦就作过研究，他在解释普朗克黑体辐射公式时明确指出只有自发发射和吸收两个过程是不够的，并由此提出“受激辐射”的概念，这也是激光的基础！ 粒子数反转的状态 Townes et.al 20世纪50年代 提出用平行平面镜作为光的谐振腔实现光反馈 产生激光的理论与实验Schawlow, Townes,et.al 1958 1960：首台ruby激光器（可见光）研制成功 He-Ne激光器； 1962：半导体激光器； 1963：可调谐燃料激光器 This was using Ammonia gas and produced amplified Microwave r adiation instead of visible light (called a MASER微波发射器) in 1954. For this they shared the 1964 Nobel prize for Physics. Maser: 微波段; Laser: 3000埃-1000000埃 对于热平衡物质，下能级的布居数大于上能级的布居数，所以要想光被放大就需要设法使布居数反转，20世纪50年代汤斯等人对氨分子束能级实现了布居数反转并于1954年研制成功了利用受激发射放大产生微波振荡的微波发射器。进一步要推向更短的光频段必须找到可以实现光放大的工作物质和产生光振荡的谐振腔。1958年美国肖洛、汤斯等人几乎同时提出了用平行平面镜作为光的谐振腔，用镜面反射实现光反馈的产生激光的理论与实验。紧接着，1960年梅曼用红宝石制成第一台可见光激光器，同年制成氦氖激光器；1962年产生了半导体激光器；1963年产生了可调谐染料激光器。由于激光具有极好的单色性、高亮度和良好的方向性，所以自激光出现以来得到了迅速的发展和广泛应用，引起了科学技术的重大变化。
华南农业大学期末考试试卷（B 卷） 2008～2009学年第一学期 考试科目：激光原理与技术 考试类型：（闭卷） 考试时间：120分钟 姓名 年级专业 学号 一.填空题（每空2分，共30分） 1. 设小信号增益系数为0g ，平均损耗系数为α，则激光器的振荡条件为 g o > α 。 2. 相格 是相空间中用任何实验所能分辨的最小尺度。 3. 四能级系统中，设3E 能级向2E 能级无辐射跃迁的量子效率为1η，2E 能级向1E 能 级跃迁的荧光效率为2η，则总量子效率为 。。 4. 当统计权重21f f =时，两个爱因斯坦系数12B 和21B 的关系为 B 12=B 21 。 5. 从光与物质的相互作用的经典模型，可解释 色散 现象和 物质对光的 吸收 现象。 6. 线型函数的归一化条件数学上可写成 。 7. 临界腔满足的条件是 g1g2=1 或 g1g2=0 。 8. 把开腔镜面上的经过一次往返能再现的稳态场分布称为开腔的 自再现模 。 9. 对平面波阵面而言，从一个镜面中心看到另一个镜面上可以划分的菲涅耳半周期 带的数目称为 菲涅耳数 。
10. 均匀加宽指的是引起加宽的物理因素对各个原子是 等同的, 。 11. 入射光强和饱和光强相比拟时，增益随入射光强的增加而减少，称 增益饱和 现 象。 12．方形镜的mnq TEM 模式沿x 方向有 m 条节线，没y 方向有 n 条节线. 二.单项选择题（每题2分，共10分） 1. 关于高斯光束的说法，不正确的是（ ） (A)束腰处的等相位面是平面； (B)无穷处的等相位面是平面； (C)相移只含几何相移部分； (D)横向光强分布是不均匀的。 2. 下列各模式中，和圆型共焦腔的模q n m TEM ,,有相同频率的是（A ） (A)1,,2-+q n m TEM ； (B) q n m TEM ,,2+； (C) 1,,1-+q n m TEM ； (D) 1,1,2-++q n m TEM 。 3. 下列各种特性中哪个特性可以概括激光的本质特性（C ） (A)单色性； (B)相干性； (C)高光子简并度； (D)方向性。 4. 下列加宽机制中，不属于均匀加宽的是（B ） (A)自然加宽； (B)晶格缺陷加宽； (C)碰撞加宽； (D)晶格振动加宽。 5. 下列方法中，不属于横模选择的是（D ） (A)小孔光阑选模； (B) 非稳腔选模； (C) 谐振腔参数N g ,选择法； (D)行波腔法。 三、简答题（每题4分，共20分）
2006-2007学年第1学期《激光原理与技术》B卷试题答案 1 .填空题（每题4分）[20] 1.1激光的相干时间T和表征单色性的频谱宽度△V之间的关系 为 1/ c 1.2 一台激光器的单色性为5X10-10,其无源谐振腔的Q值是_2x109 1.3如果某工作物质的某一跃迁波长为100nm的远紫外光，自发跃迁几率A10等于105S1，该跃迁的受激 辐射爱因斯坦系数B10等于6x1010 m3^2^ 1.4设圆形镜共焦腔腔长L=1m，若振荡阈值以上的增益线宽为80 MHz判断可能存在两个振荡频率。 1.5对称共焦腔的1（A D）_1_,就稳定性而言，对称共焦腔是稳定______________ 空。 2.问答题（选做4小题，每小题5分）[20] 2.1何谓有源腔和无源腔？如何理解激光线宽极限和频率牵引效应？ 有源腔：腔内有激活工作物质的谐振腔。无源腔：腔内没有激活工作物质的谐振腔。 激光线宽极限：无源腔的线宽极限与腔内光子寿命和损耗有关: 九'；有源腔由于受到自发辐射影响，净损耗不等于零，自发辐射的随机相位造成输出激光的线宽极限 n2t 2 ( C)h 0 ------------------- 。 n t Rut 频率牵引效应：激光器工作物质的折射率随频率变化造成色散效应，使得振荡模的谐振频率总是偏离无源腔 相应的模的频率，并且较后者更靠近激活介质原子跃迁的中心频率。这种现象称为频率牵引效应。 2.2写出三能级和四能级系统的激光上能级阈值粒子数密度，假设总粒子数密度为n阈值反转粒子数密 度为n t. 三能级系统的上能级阈值粒子数密度n 2t n n ——-;四能级系统的上能级阈值粒子数密度2 n2t n t 。 2.3产生多普勒加宽的物理机制是什么？ 多普勒加宽的物理机制是热运动的原子（分子）对所发出（或吸收）的辐射的多普勒频移。 2.4均匀加宽介质和非均匀加宽介质中的增益饱和有什么不同？分别对形成的激光振荡模式有何影响? 均匀加宽介质：随光强的增加增益曲线会展宽。每个粒子对不同频率处的增益都有贡献，入射的强光不仅使自身的增益系数下降，也使其他频率的弱光增益系数下降。满足阀值条件的纵模在振荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频率的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都
拉曼光谱由于近几年来以下几项技术的集中发展而有了更广泛的应用。这些技术是：CCD检测系统在近红外区域的高灵敏性，体积小而功率大的二极管激光器，与激发激光及信号过滤整合的光纤探头。这些产品连同高口径短焦距的分光光度计，提供了低荧光本底而高质量的拉曼光谱以及体积小、容易使用的拉曼光谱仪。（一）含义 光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射.弹性散射的散射光是与激发光波长相 同的成分.非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分,统称为拉曼效应 当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会按原来的方向透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究谱线特征 （二）拉曼散射光谱具有以下明显的特征： a.拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关,只和样品的振动转动能级有关； b.在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧,这是由于在上述两种情况下分别相应于得到或失去了一个振动量子的 能量。
c.一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。这是由于Boltzmann分布，处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数。 （三）拉曼光谱技术的优越性 提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。此外 1由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。 2拉曼一次可以同时覆盖50-4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。相反，若让红外光谱覆盖相同的区间则必须改变光栅、光束分离器、滤波器和检测器3拉曼光谱谱峰清晰尖锐，更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异分析进行定性研究。在化学结构分析中，独立的拉曼区间的强度可以和功能集团的数量相关。4因为激光束的直径在它的聚焦部位通常只有0.2-2毫米，常规拉曼光谱只需要少量的样品就可以得到。这是拉曼光谱相对常规红外光谱一个很大的优势。而且，拉曼显微镜物镜可将激光束进一步聚焦至20微米甚至更小，可分析更小面积的样品。5共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强1000到10000倍。 （四）几种重要的拉曼光谱分析技术 1、单道检测的拉曼光谱分析技术
激光光源的DLP投影技术 色彩超级理想的DLP 投影仪问世：三菱发布3 原色激光投影技术 原理图： 三菱发布3 原色激光投影技术Mitsubishi 三菱公布了一组全新投影技术：支持「xvYCC」颜色规格的3 原色半导体激光投影技术，新技术会率先应用于DLP 背投电视。根据三菱表示应用激光投影技术后，比传统DLP 投影，除了 画质提高外，也不再需要色彩过滤器和色轮，而且投影亮度更高，而且预计售价也会降低、而且体积更小、电力能耗更低、光源寿命更长。三菱更声称：激光投影技术的画质会让电视和投影市场对画面的要求换然一新！ 激光投影技术是将原来的投影灯泡更换成3 原色的半导体激光光源，3 原色激光通过光纤将光源引入光路，然后投射到DMD 上，从而完成投影成像。 配合激光投影技术，三菱特别开发了「自然彩色管理技术(NCM)」，将映像 信号分解成亮度和颜色，更进一步把颜色成分12 组，然后独立运算，生成最 适合的投影颜色。 三菱这个激光投影技术更是支持「xvYCC」颜色规格，xvYCC 国际影像的技术标准在于将现有色域扩大约1.8 倍来加强色彩复制功能（awidercolorreproduction），因此，支持xvYCC 技术的显示器，所表现出来的色彩将十分接近人类视觉可自行辨识的色彩范围。 还有柯达KODAK 公司的线性光栅技术。原理是用微机械技术，造处电出光栅，能让光线衍射来实现对比度。 一个瞬间，能出现一维彩带，然后扫描为二维画面。 在2004 年6 月份，柯达使用MEMS（微电机系统）开发成功了新型激光投影电视元件，并在SID 2004 展会上进行了首次展出。可用作前投和背投电视的
光谱学中常用的激光光源 光谱分析是研究物质结构的重要手段。激光引入光谱分析后，至少从5个方面扩展和增强了光谱分析能力：（1）分析的灵敏度大幅度提高；（2）光谱分辨率达到超精细程度；（3）可进行超快（10-100 fs量级）光谱分析；（4）把相干性和非线形引入光谱分析；（5）光谱分析用的光源波长可调谱。自从激光引入之后，先进的光谱分析已经激化了。[2] 3激光光谱学常用的几种激光器3.1固体激光器 以玻璃或者晶体等固体材料作基质，掺入某些激活离子做成激光工作物质的激光器。固体激光器工作特点是工作物质坚固，激活离子密度比较高。因此，单位工作物质能够产生较高激光能量（或功率）。工作物质有储能效应，能产生很高峰值激光功率。主要缺点是大多数激光器件的能量转换效率不高，输出的激光波长不够多样化，往往只能产生某一种或少数几种波长。不过，随着固体激光器技术的发展，这两个缺点已逐步在克服，比如采用半导体激光器做抽远光源，替代传统的闪光抽运，总体能量转换效率已提高5~10倍。用掺杂Cr和Ti 的过渡金属离子做成激活离子工作物质，输出的激光波长能够可调谐；掺三价稀土元素Tm、Ho、Er做成的工作物质，输出的激光波长已扩展到红外波段（2~3um）。世界上第一台激光器是以红宝石做基质，掺铬离子做激活离子做成的工作物质的激光器，它诞生于1960年夏天，由美国休斯公司的梅曼研制成功。 以下是两种典型的固体激光器： 1）离子掺杂固体激光器 在基质晶体或玻璃中添加过渡金属和稀土类离子作发光中心是一类重要的激光器。红宝石(Al2O3:中掺杂Cr 3+)是实现激光作用的第一种材料，其波长为694 nm，激光的激活粒子是掺在A1 O3晶体中的Cr3+离子。掺钦忆 2 铝石榴石(Nd3+: YAG)是利用三价铷离子(Nd3+)作激活粒子，室温下激光发射波长为1064 nm。 大多数晶体中掺杂离子激光器具有相当窄的增益带宽，大约为波长的万分之一。改变晶体温度，中心波长会略有改变，但没有什么实用价值。在非定形固体(如玻璃)中，增益带宽会有明显增加，比如钦玻璃的谱线宽度约为300 cm-1,Nd3+:YAG的谱线宽度约大50倍。这是由于玻璃的无定形结构所造成的，它使各个Nd3+离子的周围环境稍有不同，从而使离子的能级分裂发生微小的变化，因此不同离子的辐射频率也有微小的差别，这会引起自发辐射光谱的加宽。但是同宽带可调谐系统，比如染料激光器或色心 激光器相比较还是较小，前者的调谐区为中心波长的1-3%，而后者为5-20% ,在包含三价稀土类离子(Pr 3+、Er3+、Ho 3+、Tm3+ , Nd3+等)的固体激光器中，用闪光灯激发，得到从0.55 jtm(Pr:LaF3)到2.69 jtm (ErF3:TmF3:CaF3) 之间的100多根振荡线，其中Nd:Y AG的1064 nm激光跃迁是熟知的高功率振荡线.用YLF(LiYF4)作基质晶体材料，使固体激光器的振荡波段从Ce:YLF的325 nm扩展到Ho:YLF的3.19拌m.掺过渡金属离子的波长可调谐固体激光器是目前世界各国竞相研究的一种新型固体激光器。表2给出主要的掺过渡金属离子的波长可调激光器。由表可见，这 些掺过渡金属离子 的波长可调激光器， 在可见光到近红外 区域内振荡。 2）色心激光器 色心是碱金属 卤化物晶体及碱土 氟化物晶体中离子位置结合一个电子而形成的。它是固态晶体结构中光学激活晶格缺陷。典型的色心是离子晶体中一个负离子空缺，从而在晶体的一个小区间内形成过量的正电荷。一个自由电子可被束缚在这个势阱里。电子在该势阱里束缚态之问的光学允许跃迁就成了晶体光谱中新的吸收带。电子在色心激发态具有不同于基态的电子分布，因此对不同的电子态周围离子的平衡位置也略有不同。这样，电子从基态吸收一个光子就会进入电子激发态的“振动激发态”。晶体的迅速的振动弛豫使其很快达到平衡态，从而向基电子态的振动激发态跃迁而放出光子。这种过程同后面在染料激光器泵浦机制中所讨论的是相同的。而且多种色心激光器可以像染料激光器一样成为宽调谐激光器。所不同的是染料激光器长波段通常只能到lAm,而色心激光器调谐范围为0.8- 4(cm)。像染料激光器一样，色心激光器可以脉冲或连续运转。 后面讨论的染料激光器的一些限制也同样适用于色心激光器。首先Stokes偏移必须足够分离吸收谱和荧光谱;其次激发态必须没有强吸收;最后激发态无辐射失活必须慢。像染料激光器那样，这些条件使某些色心不能成为有效的激光器。
实验六 激光拉曼光谱仪 【目的要求】 1.学习和了解拉曼散射的基本原理； 2.学习使用激光拉曼光谱仪测量CCL 4的谱线； 【仪器用具】 LRS-3型激光拉曼光谱仪、CCL 4、计算机、打印机 【原 理】 1. 拉曼散射 当平行光投射于气体、液体或透明晶体的样品上，大部分按原来的方向透射 而过，小部分按照不同的角度散射开来，这种现象称为光的散射。散射是光子与物质分子相互碰撞的结果。由于碰撞方式不同，光子和分子之间会有多种散射形式。 ⑴ 弹性碰撞 弹性碰撞是光子和分子之间没有能量交换，只是改变了光子的运动方向，使得散射光的频率与入射光的频率基本相同，频率变化小于3×105HZ ，在光谱上称为瑞利散射。瑞利散射在光谱上给出了一条与入射光的频率相同的很强的散射谱线，就是瑞利线。 ⑵ 非弹性碰撞 光子和分子之间在碰撞时发生了能量交换，这不仅使光子改变了其运动方向，也改变了其能量，使散射光频率与入射光频率不同，这种散射在光谱上称为拉曼散射，强度很弱，大约只有入射线的10-6。 由于散射线的强度很低，所以为了排除入射光的干扰，拉曼散射一般在入射线的垂直方向检测。散射谱线的排列方式是围绕瑞利线而对称的。在拉曼散射中散射光频率小于入射光频率的散射线被称为斯托克斯线；而散射光频率大于入射光频率的散射线被称为反斯托克斯线。斯托克斯线和反斯托克斯线是如何形成的呢？在非弹性碰撞过程中，光子与分子有能量交换, 光子转移一部分能量给分子, 或者从分子中吸收一部分能量，从而使它的频率改变，它取自或给予散射分子的能量只能是分子两定态之间的差值21E E E -=?。在光子与分子发生非弹性碰撞过程中，光子把一部分能量交给分子时，光子则以较小的频率散射出去，称为频率较低的光(即斯托克斯线)，散射分子接受的能量转变成为分子的振动或转动能
激光原理与技术实验 YAG 多功能激光实验系统光路图 实验内容 一、固体激光器的安装调试 1、安装激光器。 2、调整激光器，使输出脉冲达最强 二、激光参数测量 1、测量自由振荡情况下激光器的阈值电压。 2、测量脉冲能量和转换效率。 3、测量光束发散角。 三、电光调Q 实验研究 1、调整Q 开关方位，寻找V λ/4 。 2、确定延迟时间。 3、测试动静比。 四、倍频实验 1、测量倍频光能量与入射角的关系。 2、倍频效率的测量。 五、激光放大实验 1、放大器放大倍率测量。 2、放大器增益测量 3、最佳时间匹配测量。 M 1 脉冲氙灯 脉冲氙灯
第一章 习题 1、请解释 （1）、激光 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 辐射的受激发射光放大 （2）、谐振腔 在工作物质两端各放上一块反射镜，两反射镜面要调到严格平行，并且与 晶体棒轴垂直。这两块反射镜就构成谐振腔。谐振腔的一块反射镜是全反射镜， 另一块则是部分反射镜。激光就是从部分反射镜输出的。谐振腔的作用一是提 供光学正反馈，二是对振荡光束起到控制作用。 （3）、相干长度 从同一光源分割的两束光发生干涉所允许的最大光程差，称为光源的相干 长度，用?Smax 表示，相干长度和谱线宽度有如下关系： ?Smax = λ2 / ? λ 光源的谱线宽度越窄，相干性越好。 2、激光器有哪几部分组成？ 一般激光器都具备三个基本组成部分：工作物质、谐振腔和激励能源。 3、激光器的运转方式有哪两种？ 按运转方式可分为： 脉冲、连续 ，脉冲分单脉冲和重复脉冲。 4、为使氦氖激光器的相干长度达到1km ，它的单色性?λ/λ应为多少？ 109max 10328.61016328.0-?=?==?m m S μμλλ λ 第二章 习题 1、请解释 （1）、受激辐射 高能态E 2 的粒子受到能量 h ν = E 2 - E 1 光子的刺激辐射一个与入射光子一模 一样的光子而跃迁到低能级 E 1 的过程称受激辐射. （2）高斯光束 由凹面镜所构成的稳定谐振腔中产生的激光束即不是均匀平面光波，也不 是均匀球面光波，而是一种结构比较特殊的高斯光束，沿 Z 方向传播的高斯光 束的电矢量表达式为：
《激光原理与技术》习题一 班级序号姓名等级 一、选择题 1、波数也常见作能量的单位, 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, 而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、 一束光经过长度为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 =
激光拉曼光谱的原理和应用 当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会暗原来的发现透射，而一小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有一系列对称分布着若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这种现象称为拉曼效应。由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此，与红外吸收光谱类似，对拉曼光谱的研究，也可以得到有关分子振动或转动的信息。目前拉曼光谱分析技术已广泛应用于物质的鉴定，分子结构的研究 推荐激光拉曼光谱法是以拉曼散射为理论基础的一种光谱分析方法。 激光拉曼光谱法的原理是拉曼散射效应。 拉曼散射：当激发光的光子与作为散射中心的分子相互作用时，大部分光子只是发生改变方向的散射，而光的频率并没有改变，大约有占总散射光的10-10-10-6的散射，不公改变了传播方向，也改变了频率。这种频率变化了的散射就称为拉曼散射。 对于拉曼散射来说，分子由基态E0被激发至振动激发态E1，光子失去的能量与分子得到的能量相等为△E反映了指定能级的变化。因此，与之相对应的光子频率也是具有特征性的，根据光子频率变化就可以判断出分子中所含有的化学键或基团。 这就是拉曼光谱可以作为分子结构的分析工具的理论工具。 拉曼光谱仪的主要部件有： 激光光源、样品室、分光系统、光电检测器、记录仪和计算机。 应用 激光拉曼光谱法的应用有以下几种：在有机化学上的应用，在高聚物上的应用，在生物方面上的应用，在表面和薄膜方面的应用。 有机化学 拉曼光谱在有机化学方面主要是用作结构鉴定的手段，拉曼位移的大小、强度及拉曼峰形状是碇化学键、官能团的重要依据。利用偏振特性，拉曼光谱还可以作为顺反式结构判断的依据。 高聚物 拉曼光谱可以提供关于碳链或环的结构信息。在确定异构体（单休异构、位置异构、几何异构和空间立现异构等）的研究中拉曼光谱可以发挥其独特作用。电活性聚合物如聚毗咯、聚噻吩等的研究常利用拉曼光谱为工具，在高聚物的工业生产方面，如对受挤压线性聚乙烯的形态、高强度纤维中紧束分子的观测，以及聚乙烯磨损碎片结晶度的测量等研究中都彩了拉曼光谱。 生物 拉曼光谱是研究生物大分子的有力手段，由于水的拉曼光谱很弱、谱图又很简单，故拉曼光谱可以在接近自然状态、活性状态下来研究生物大分子的结构及其变化。拉曼光谱在蛋白质
激光原理与激光技术习题答案 习题一 (1)为使氦氖激光器的相干长度达到1m ，它的单色性?λ/λ应为多大？ 解： 1010 1032861000 106328--?=?=λ=λ λ?=.L R c (2) λ=5000?的光子单色性?λ/λ=10-7，求此光子的位置不确定量?x 解： λ=h p λ?λ=?2h p h p x =?? m R p h x 510 1050007 10 2=?=λ=λ?λ=?=?-- (3)CO 2激光器的腔长L=100cm ，反射镜直径D=1.5cm ，两镜的光强反射系数分别为r 1=0.985,r 2=0.8。求由衍射损耗及输出损耗分别引起的δ、τc 、Q 、?νc (设n=1) 解： 衍射损耗: 1880107501 106102 262.) .(.a L =???=λ=δ-- s ..c L c 881075110318801-?=??=δ=τ 6 86 8 10113107511061010314322?=??????=πντ=--....Q c MHz .Hz ...c c 19101910 75114321216 8 =?=???=πτ= ν?- 输出损耗: 119080985050212 1.)..ln(.r r ln =??-=-=δ s ..c L c 8 81078210 311901-?=??=δ=τ 6 86810 964107821061010314322?=??????=πντ=--....Q c MHz .Hz ...c c 7510751078214321216 8 =?=???=πτ= ν?- (4)有一个谐振腔，腔长L=1m ，两个反射镜中，一个全反，一个半反，半反镜反射系数r=0.99，求在1500MHz 的范围内所包含的纵模个数，及每个纵模的线宽(不考虑其它损耗) 解： MHz Hz .L c q 15010511 2103288=?=??==ν? 11]11501500 []1[=+=+ν?ν?=?q q 005.02 01 .02=== T δ s c L c 781067.610 3005.01 -?=??== δτ MHz c c 24.010 67.614.321 217 =???= = -πτν? (5) 某固体激光器的腔长为45cm ，介质长30cm ，折射率n=1.5，设此腔总的单程损耗率0.01π，求此激光器的无源腔本征纵模的模式线宽。
ZEEnit 700原子吸收分光光度计培训试题 一、选择题 1、原子吸收光谱法常用的光源是: ( D ) A.氢灯； B.火焰； C.电弧； D.空心阴极灯 2、原子吸收分光光度法适宜于: （ B ） A.元素定性分析； B.痕量定量分析； C.常量定量分析； D.半定量分析 3、在原子吸收分析中，影响谱线宽度的最主要因素是: （ A ） A.热变宽； B.压力变宽； C.场致变宽； D.自吸变宽 4、石墨炉原子吸收光度法的特点是。( A ) A灵敏度 B速度快 C操作简便 5、在原子吸收法中, 原子化器的分子吸收属于 ( 3 ) A.光谱线重叠的干扰 B.化学干扰 C.背景干扰 D.物理干扰 二、填空题 1、石墨炉原子吸收分光光度法的特点是。答案：灵敏度高，取样量少，在炉中直接处理样品 2、使用原子吸收光度法分析时，灯电流太高会导致、，使 下降。 答案：谱线变宽、谱线自吸收、灵敏度 3、在原子吸收法中校正背景干扰的主要方法有：、、、 。 答案：双波长法、氘灯法、塞曼效应法、自吸收法 4、原子吸收仪用作为光电转换元件和光信号的。 答案：光电倍增管、检测器 5、根据观察是否稳定、是否稳定和是否稳定来确定空心阴极灯的预热时间。
答案：发射能量、仪器的基线、灵敏度 三、判断题 1、塞曼效应校正背景，其校正波长范围广。（）答案：√ 2、原子吸收光度法测量高浓度样品时，应选择最灵敏线。（）答案：× 3、在高温原子化器内，如不通入N2或Ar气，即不能进行升温测定。（）答案：√ 4、原子吸收分光光度计的分光系统，可获得待测原子的单色光。（）答案：× 5、原子吸收分光光度计使用时，空心阴极灯不需预热。（）答案：× 四、问答题 1、简述原子吸收分光光度法的原理？ 答：由光源发出的特征辐射能被试样中被测元素的基态原子吸收，使辐射强度减弱，从辐射强度减弱的程度求出试样中被测元素的含量。 2、如何解决石墨炉原子吸收分光光度法的记忆效应？ 答：（1）用较高的原子化温度。 （2）用较长的原子化时间。 （3）增加清洗程序。 （4）测定后空烧一次。 （5）改用涂层石墨管。 （注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）
2006-2007学年 第1学期 《激光原理与技术》B 卷 试题答案 1． 填空题(每题4分)[20] 激光的相干时间τc 和表征单色性的频谱宽度Δν之间的关系为___1c υτ?= 一台激光器的单色性为5x10-10，其无源谐振腔的Q 值是_2x109 如果某工作物质的某一跃迁波长为100nm 的远紫外光，自发跃迁几率A 10等于105 S -1，该跃迁的受激辐射爱因斯坦系数B 10等于_____6x1010 m 3s -2J -1 设圆形镜共焦腔腔长L=1m ，若振荡阈值以上的增益线宽为80 MHz ，判断可能存在_两_个振荡频率。 对称共焦腔的 =+)(2 1 D A _-1_，就稳定性而言，对称共焦腔是___稳定_____腔。 2. 问答题(选做4小题，每小题5分)[20] 何谓有源腔和无源腔如何理解激光线宽极限和频率牵引效应 有源腔：腔内有激活工作物质的谐振腔。无源腔：腔内没有激活工作物质的谐振腔。 激光线宽极限：无源腔的线宽极限与腔内光子寿命和损耗有关：122' c R c L δ υπτπ?= = ；有源腔由于受到自发辐射影响，净损耗不等于零，自发辐射的随机相位造成输出激光的线宽极限 220 2()t c s t out n h n P πυυυ?= ?。 频率牵引效应：激光器工作物质的折射率随频率变化造成色散效应，使得振荡模的谐振频率总是偏离无源腔相应的模的频率，并且较后者更靠近激活介质原子跃迁的中心频率。这种现象称为频率牵引效应。 写出三能级和四能级系统的激光上能级阈值粒子数密度，假设总粒子数密度为n ，阈值反转粒子数密度为 n t. 三能级系统的上能级阈值粒子数密度22 t t n n n += ；四能级系统的上能级阈值粒子数密度2t t n n ≈。 产生多普勒加宽的物理机制是什么 多普勒加宽的物理机制是热运动的原子（分子）对所发出（或吸收）的辐射的多普勒频移。 均匀加宽介质和非均匀加宽介质中的增益饱和有什么不同分别对形成的激光振荡模式有何影响 均匀加宽介质：随光强的增加增益曲线会展宽。每个粒子对不同频率处的增益都有贡献，入射的强光不仅使自身的增益系数下降，也使其他频率的弱光增益系数下降。满足阀值条件的纵模
环境监测技术理论考试试卷（模拟卷）及答案 一、填空题（20个空格×0.5分=10分） 1.在环境空气采样期间，应记录流量、时间、气样温度和压力等参数。 2.钼酸铵分光光度法测定水中总磷时，如显色时室温低于13o C，可在20o C-30o C水浴中显色 15 min. 3.应用分光光度法进行试样测定时，选择最适宜的测定浓度可减少测定误差。一般来说，吸光度值在 0.1-0.7 范围，测定误差相对较小。理论上，吸光度值是0.434时，浓度测量的相对标准偏差最小。 4.在气相色谱中，保留值实际上反映的是组分和固定相分子间的相互作用力。 5.在地表水采样断面同一条垂线上，水深5m-10m时，设2个采样点，即水面下0.5 m处和河底上0.5m 处；若水深≤5m时，采样点在水面下0.5m处。 6.环境空气手工监测时，采样仪器临界限流孔流量每月校准1次，流量误差应小于5%。 7.空气动力学当量直径≤100μm 的颗粒物，称为总悬浮颗粒物，简称 TSP ；空气动力学当量直径≤ 10μm 的颗粒物，称为可吸入颗粒物，简称 PM10。 8.大气污染物无组织排放监测，一般在排放源上风向设1个参照点，在下风向最多设4个监控点。 9.GC-MS的进样口对真空要求最高。 10.土壤混合样的采集方法主要有四种，即对角线法、棋盘式法、梅花点法和蛇形法。 11.测量噪声时，要求的气象条件为无雨雪、无雷电天气，风速5m/s。 12.一般情况下，工业企业厂界噪声监测点位应选在法定厂界外1m，高度1.2m以上。监测时，如是稳态噪声， 则采取1min的等效声级。 13.等离子体发射光谱通常由化学火焰、电火花、电弧、激光和各种等离子体光源激发而获得。 14.采集用于监测细菌学指标水样的玻璃瓶，在洗涤干燥后，要在160o C-170o C干热灭菌2h或高压蒸汽121 o C灭菌20min。不能使用加热灭菌的塑料采样瓶应浸泡在0.5%的过氧乙酸中10分钟进行低温灭菌。15.实验室质量体系的内部审核一般每年不少于1次；管理评审每年至少组织1次。