激光光谱学研究综述.doc

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激光光谱学研究综述

摘要：

激光光谱学技术是六十年代初发展起来的一门以原子理论、量子理论、光学技术和电子技术为基础的一门高新技术。

目前激光光谱学技术已经被推广应用于农业、工业、医疗、科学研究、军用武器及航天技术等多个领域，带来了巨大的效益。

本文将对这门新兴技术的形成、发展、种类、应用及前景进行一个简单的综述。

关键字：

激光；光谱学；应用研究

引言

光谱学是研究物质和电磁波相互作用的科学。

光谱研究使人类获得了大量有关原子和分子结构方面的知识。

利用电磁辐射和物质相互作用时所观察的吸收光谱和发射光谱从多方面向人们提供了有关分子结构与周期环境相互作用的信息。

光谱学的发展可以分为两大阶段，它们的时间分界线为20世纪60年代激光问世之前和以后。

从1666年牛顿光谱到1960年美国人梅曼做成红宝石激光器之前，事实上已经形成了理论较为完善、分析技术较为成熟以及研究成果较为丰富的与原子分子线性相互作用的光谱学，通常称之为常规光谱学。

这种光谱学现在仍然是研究物质结构和成分的有力工具。

光谱定性、定量分析在化学研究、科学技术以及工业生产等方面都占有一定的地位。

自从激光问世之后，由于在常规光谱学领域引入激光，人们就可以用现代光谱学方法来深入研究物质的结构、能谱、瞬态变化和它们的微观动力学方程（包括弛豫规律），由此来获得用经典方法无法获得到的极为丰富的信息。

激光在光谱学领域引起了一场革命，形成一门新的学科——激光光谱学。

它既包括采用激光后获得新生的经典光谱学分支，还包括了一些新兴的分支，例如饱和吸收或双光子吸收的无多普勒光谱技术、时间分辨的弛豫测量以及相干拉曼散射光谱学等。

1激光光谱学的形成

1.1激光原理

“激光”是光受激辐射放大的简称，它是通过辐射的受激发射而实现光放大。

一个光子hv射入一个原子体系后，在离开该原子体系时，成了两个或更多个光子，而这些光子的特征是完全相同的。

这就是光放大。

但是光与原子体系相互作用时，总是同时存在着吸收、自发辐射与受激辐射三种过程，不可能要求只存在受激辐射过程。

受激辐射过程和吸收过程总是矛盾的。

在通常情况下，吸收过程总是主要的，受激辐射过程是次要的。

但是在特定条件下，在破坏了原子体系的平衡态分布之后，就有可能使受激辐射过程处于绝对优势。

这样一个特定状态就是粒子数反转。

并非所有的物质都能实现粒子数反转。

在能实现粒子数反转的物质中，也不是在该物质的任意两个能级间都能实现粒子数反转。

要实现粒子数反转必须具备一定的条件。

理论分析和实验结果表明：

三能级及以上的系统就有可能实现粒子数反转。

受激辐射除了与吸收过程相矛盾外，还与自发辐射矛盾。

处于激发态能级的原子，可以通过自发辐射或受激辐射回到基态。

在这两种过程中，自发辐射往往是主要的。

但是我们可以设计一种装置，使在某一方向上的受激辐射不断得到放大和加强。

就是说，使受激辐射在某一方向上产生振荡，而其他方向传播的光很容易逸出腔外，以致在这特定方向上超过自发辐射。

这样，我们就能在这一方向上实现受激辐射占主导地位的情况。

这种装置叫做光学谐振腔。

有了稳定的光学谐振腔，有了能实现粒子数反转的工作物质，还不一定能引起受激辐射的光振荡而产生激光，因为工作物质在光谐振腔内虽然能够引起光放大，但是在光谐振腔内存在着许多损耗因素。

由此可见，当具备能实现粒子数反转的工作物质和一个稳定的光学谐振腔以及还必须减少损耗，加快泵浦抽运速率，从而使粒子数反转达到产生激光的阈值条件最终实现光振荡而输出激光。

1.2光谱学原理

光波是由原子内部运动的电子产生的．各种物质的原子内部电子的运动情况不同，所以它们发射的光波也不同。

光谱是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。

1.3激光光谱学原理

激光光谱学是运用激光经过色散系统分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而一次排列的图案来研究物质和电磁波相互作用的科学，进而深入研究物质的结构、能谱、瞬态变化和它们的微观动力学方程。

按照广义的定义，凡是利用激光作为激发和探测手段的光谱分析方法，都可以称之为激光光谱学技术。

2激光光谱学的发展现状

2.1激光光谱学的发展背景

激光光谱学的发展背景主要体现在以下三个方面：

第一，传统光谱学技术的局限性。

传统光谱学进一步发展所受到的限制主要表现在谱分辨率不高；作用选择性不强；分析灵敏度和测试效率比较低对样品光谱和跃迁过程的时间分辨能力和空间分辨能力都是否能有限。

另外，还由于所采用的普通光源的低单色性、低亮度以及波长不能人为调谐等缺点而受到局限。

第二，激光光谱学技术分类。

按以往习惯的光谱分类方法，可区分为激光吸收，荧光，以及散射光谱术等；按光谱分辨能力分类，可区分为普通分辨率、高分辨率、以及超高分辨率激光光谱术等；按物理原理分类，则可分为普通激光光谱学和强光光谱学。

第三，激光光谱术分辨率的限制因素。

任何一种激光光谱术所达到的光谱分辨率都受到多种可能因素的限制，例如：

光谱分光元件的仪器宽度；气态样品多普勒加宽；碰撞或压力加宽；渡越加宽；二次多普勒加宽。

其他如光子反冲加宽、光场斯塔克效应加宽等，均影响较小。

2.2激光光谱学的应用现状

激光光谱学是一门迅速发展的科学，在初期主要运用在分析化学、燃烧诊断、光学遥感、医用光谱诊断以及生物工程等领域。

而如今发展成为集激光双光子吸收光谱术、相干拉曼和四波混频光谱术、激光偏振光谱术、激光光声光谱术以及激光光电流光谱术为一体的科学研究体系。

3激光光谱学的种类

本综述根据现有的研究将激光光谱学分成以下几类：

3.1固体激光光谱学

在固体材料与器件的研究中，时间分辨光谱学技术，最近几年也同样获得了令人瞩目的成果。

在这方面，半导体成了主要的研究内容。

不久前，研制出了激光脉冲宽度为6飞秒的激光系统，这种6飞秒光学脉冲包括的光谱成分覆盖了可见光谱区域的大部分，成为研究时间分辨激光过程的理想光源。

飞秒光学脉冲技术在研究固体与大分子的动力学有其独特优点；它能解决其他的新的特征，在研究非平衡的非热的粒子分布问题中，别的技术无法与之相比。

时间分辨光谱学在研究金属薄膜中热电子动力学同样是一种有效工具。

在金薄膜中，采用测量飞秒时间的反射率的方法，可以获得有关非平衡的热电子的能量转移过程的新资料。

在多层结构的系统中，在近表面附近，因各层原子性质不同，在界面会产生机械应力，这样应力引起晶格的形变，这是半导体器件的工艺中的一个难以解决的问题。

近来发现光谱方法可以控制这种机械应力。

3.2分子激光光谱学

分子的高分辨率激光光谱运用非线性光谱学机制和巧妙的实验技术方法，可以得到令人赞叹的研究成果，揭示了早先淹没在由分子热运动加宽引起的谱线多普勒轮廓中的光谱细节。

得到了在小于千分之一纳米的光谱区内可分辨数十条间距不等的谱线的很高分辨率。

它比线性激光光谱的分辨率又高出几个数量级，而且方法简便。

与原子相比，分子的能级和分子光谱是极其复杂的，即使是最简单的分子也有许多电子态，每个分子电子态可有数十个振动态，每个振动态又可有数以万计的转动态，而且由于振转能级之间的间隔不大以及及电子态中的许多振转能级上都存在热布居，因而分子的常规吸收甚至可从数百上千个基态振转能级出发，这些都是使分子光谱极端复杂和大量谱线重叠的原因。

此外，由于分子的许多电子态相互重叠，电子态能级常数及激发态受微扰的情况又尚未弄清，因而分子光谱的分析和谱线的标识非常繁杂和困难，甚至有经验的专家也极感棘手。

所以寻求有效的简化分子光谱途径，并由此迅速而确切地填补分子能级常数的空白，始终是人们追求的目标。

简化分子光谱的物理基础是选择激发分子的一个或极少数几个跃迁，其必要的物质条件是要具备合适的光源。

利用具有适当输出波长的激光激发分子，形成上能级与下能级之间粒子束反转，从而产生符合选择定则的受激辐射谱线和谱带。

在分子的高激发态中，特别使人感兴趣的是分子里德伯态和自由电离态，这已成为一个非常有意义的前沿领域，原子、分子中的一个电子被激发到主量子数n很高的状态，称为原子、分子的里德伯态。

由于分子里德伯态具有高激发能、大运动轨道、外层电子与分子实之间相互作用影响小、电离截面大以及寿命长等特性，因而对它的研究不仅具有明显的科学意义，而且利用里德伯态有可能获得激光输出，在同位素分离和杂质分离等方面也有应用。

3.3超声分子束激光光谱学

超声分子束提供一个在真空中运行的强的分子源，这些分子与其他粒子完全隔离，具有极窄的速度分布，并且冷到如此的程度，以致其受激的转动能级和振动能级几乎是完全么有粒子的。

不但稳定的分子，而且自由基也可以通过自由喷气膨胀获得如此低的内温度。

特别是在膨胀中达到的低温下，甚至束缚得最弱的分子复合物也是稳定的。

因此，超声分子束已被广泛地用于研究范德瓦耳斯分子。

另一方面，现在的窄线宽染料激光器能很好地利用超声分子束的独特性质。

对于大多数允许的电子跃迁，现在激光已有足够的强度几乎全部地激发一切运行通过激光束的共振分子。

分子都处于最低的转动和振动能级，增加了被特定的激光频率激发的分子密度。

在被激光激发的分子发出荧光的情形中，荧光探测的高灵敏度与激光激发的高效率相结合产生大的信号，从而弥补了分子束的低密度的限制。

超声分子束的窄的速度分布使它与光相互作用时产生很窄的多普勒宽度，而激光的窄线宽在此多普勒宽度内有效地与超声分子束相互作用。

3.4等离子体激光光谱学

等离子体箍缩装置作为光谱学研究的装置，它重复性好，无杂质污染，具有极好的轴向均匀性，改变储能电容的电压和充气气压能方便地改变电子温度和密度，具有较长的光程等突出优点。

利用高功率脉冲可调谐染料激光，研究氢、氦等离子体中原子氢、氦的激光共振荧光，敏化荧光及激光“烧通”技术，研究电子与原子的碰撞激发、离化平均截面。

3.5共线快速激光光谱学

共线快束激光光谱学（CFBLs）利用激光与快束在同一条轴线上相互作用，获得原子（包括离子）的共振激发光谱.它是70年代中期在束箔光谱学（存在级联跃迁千扰）和原子束激光光谱学（存在原子速度分布引起的多普勒增宽）基础上发展起来的新型光谱学，是激光特别是Cw染料激光与加速器相结合的产物。

它不但具有可研究各种元素的高电荷态、高激发态离子的特点，还具有比普通激光光谱学更高的光谱分辨率和灵敏度。

正是由于具有这些优点，CFBLS技术已成为最先进的光谱学技术之一特别是它与在线同位素分离技术相结合，是研究短寿命同位素核结构的重要手段。

利用这一技术，丰富和完善了原子结构和核结构数据表，取得了许多具有重要意义的成果。

此外，CFBLS技术在同位素分离，新核素寻找，C14断代，中微子探测，环境监测，地矿样品中极微量元素、同位素的分析等方面具有广泛的应用前景。

3.6红外激光光谱学

红外激光光谱学同常规红外光谱学比较起来，其最大特点是具有极高的光谱分辨率。

例如红外光栅分光仪的光谱分辨率大约从1到0.1cm-1;傅立叶变换红外分光仪的分辨率大约从0.05到0.01cm-1。

这些常规的红外光谱仪器所产生的红外光谱，除了最简单分子外，即使对于不太复杂的分子也显示不出细致结构，因为吸收峰的宽度远远小于仪器的分辨水平，光谱中的大部分结构细节被掩盖了。

产生谱线宽度的原因可以有多种，但在低气压下，谱线增宽的最主要机理为多普勒效应。

多普勒增宽的数值取决于分子的质量，气体的温度与跃迁频率，一般在0.01与10-4cm-1之间。

因此，在最好的干涉仪所产生的红外光谱图中，看来它显示出许多单独的谱线，但实际上，每条谱线都包含着若干单个跃迁，在增加光谱分辨率的情况下是能够把它们分辨开来的。

4激光光谱学的应用

本综述就近期的激光光谱学研究罗列以下几例：

4.1基于荧光特征光谱的龋齿诊断新技术唐静刘莉李颂战（武汉科技学院电信信息工程学院，湖北武汉430073）

通过研究激光与牙齿组织相互