激光光谱学(2009)

些亚稳态，可以停留 1 0 3s ,
E1
N1
在亚稳态上粒子数不 断积累，实现粒子数 反转，达到光放大的 目的。
激发态 亚稳态 基态
§9.激光 / 三、激光原理
2 . 种类：
按工作物质分
固体（如红宝石Al2O3） 液体（如某些染料）
气体（如H e-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓 Ga As）
按工作方式分
连续式（功率可达104 W）
脉冲式（瞬时功率可达1014 W ）
3 . 波长：极紫外──可见光──亚毫米
(100 n m )
(1.222 m m )
4．原子激发的几种基本方式： ①．气体放电激发； ②．原子间碰撞激发； ③．光激发(光泵)。
二、自发辐射 受激辐射和吸收
1. 自发辐射
原子在没有外界干预的情况下，电子 会由处于激发态的高能级E 2 自动跃迁至低 能级E 1，这种跃迁称为自发跃迁。
亮度极高
三、激光原理
1. 粒子数正常分布和粒子数反转
通常处于低能级的电子数较处于高能级的 电子数要多，粒子数正常分布。 玻耳兹曼统计分布：
若 E 2 > E 1，则两能级 上的原子数目之比
N2
E2 E1
e kT
1
N1
§9.激光 / 三、激光原理
数量级估计： T ～103 K；
N2
E2 E1
e kT
3 4
1
7 5
6Байду номын сангаас
• 光源系统：YAG ＋
2
DYE
• 光路和片光系统：透镜、
反射镜组
• 荧光信号采集和处理系
统。ICCD 、滤光片、
DG535和计算机、图像
处理软件
Fig. 2 OH-PLIF(平面激光诱导荧光)系统示意图
OH-PLIF同步控制
Fig. 3 PLIF同步控制系统示意图
OH-PLIF同步控制
H e -Ne 激光器中H e是辅助物质，Ne是 激活物质，H e与 Ne之比为5∶1 10∶1。
§9.激光 / 三、激光原理
3.激光的形成 光学谐振腔
l
激光束
全反射镜 部分透反射镜
其作用是产生和维持光振荡，光在粒 子数反转的工作物质中传播时，得到光放 大，当光到达反射镜时，又反射回来穿过 工作物质，进一步得到光放大，，这样不 断地反射现象为光振荡。从部分透射光反 射镜透射出的光很强，这就是输出的激光。
Fig. 3 PLIF同步控制系统示意图
（a）Hanson
（b）XU’s
Fig. 4 CH4/空气点火OH-PLIF图像
Fig. 5 酒精灯OH-PLIF测温云图 （激发波长：281.243nm、282.253nm）
Fig. 6 激光吸收光谱技术测量燃烧中间产物 OH自由基浓度的实验装置示意图
实验表明，受激辐射产生的光子与外来 光子具有相同的频率、相位和偏振方向。
4. 光放大
在受激辐射中通过一个光的作用，得 到两个特征完全相同的光子，如果这两个 光子再引起其它原子产生受激辐射，就能 得到更多的特征完全相同的光子----光放 大，激光。
2．光学谐振腔 例. H e-Ne 气体激光器的粒子数反转
自发辐射光子频率
E2
E2 E1
h
h
E1
§9.激光 / 二、自发辐射.受激辐射和吸收
白炽灯、日光灯等普通光源，它们的发光 过程就是上述的自发辐射，频率、振动方 向、相位都不国定相同，不是相干光。
2. 光吸收 当原子中的电子处于低能级时，吸收
光子的能量后从低能级跃迁到高能级---光吸收。
高能级E 2
光子
低能级E 1
§9.激光 / 二、自发辐射.受激辐射和吸收
3. 受激辐射
当原子中的电子处 于高能级时，若外来 光子的频率恰好满足
E2 E1
h
时，电子会在外来光子的诱发下向低能
级跃，并发出与外来光子一样特征的光
子----受激辐射。
E2
h
全同光子
E1
§9.激光 / 二、自发辐射.受激辐射和吸收
一、激光
普通光源-----自发辐射 激光光源-----受激辐射 激光又名镭射 ，它的全名是 “辐射的受 激发射光放大”。 1. 特点： 相干性极好
时间相干性好（～10 8埃），
相干长度可达几十公里。
空间相干性好，有的激光波面上各个点 都是相干光源。 方向性极好（发散角～10 4弧度） 脉冲瞬时功率大（可达～10 14瓦）
§9.激光 / 三、激光原理
激光的方向性、 单色性很好
l
全反射镜
激光束 部分透反射镜
光在谐振腔传播时形成驻波，由驻波条件
l k
2
不满足此条件的光很快减弱而被淘汰，谐 振腔又起选频的作用----单色性好。
§9.激光 / 三、激光原理
Fig. 1 激光诱导荧光(LIF)光谱测量装置示意图
3.3 自点火流场PLIF测量
1
N1
k T ～1.38×1020 J ～ 0.086 eV;
E 2E 1～1eV;
N2 N1
E2 E1
e kT
1
e 0.086
10 5
1
N2
但要产生激光必须使原 E 2
子激发;且 N 2 > N 1, 称 粒子数反转。
E1
N1
§9.激光 / 三、激光原理
原子处在激发态时间
N2
很短108s，但还有一 E 2