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1、第十一章 时间分辨光谱学,主要内容,相干瞬态光谱学 量子拍频 光子回波 光学章动 自感应衰减 傅立叶变换光谱学,定义:,一、瞬态相干光谱学,瞬态：物质与光相互作用时间很短（T1,T2） 相干： 对于共振吸收介质而言：工作粒子由自发辐射和其它均匀加宽 机制所决定的随机性的自发驰豫可以忽略，所有粒子同步地与 入射光场发生相互作用 对入射光场：由于脉冲持续时间短，入射光的光谱宽度由脉冲 持续时间倒数决定，光场相干时间就是整个脉冲的持续时间， 因此整个作用期间内可认为入射光场是相干的。,特点:,共振介质对入射光场的反应特性，不但与所考查的某一时刻 的入射光波场强有关，而且与这一时刻前所有时刻的光波 场
2、强有关，也就是说介质对某一考查时刻前的入射光场 （振幅和相位）的行为呈现出记忆的能力,从数学角度讲,在瞬态相干作用下，共振介质在某一时刻 对入射光场的反应特性，不仅决定于该时刻光场的瞬时值， 而且决定于该时刻前入射光强场相对于时间的积分，即该 积分面积的大小,1、量子拍频 考虑一个三能级系统Ii、 I1、 I2。 其中 I1、 I2的能级间隔小于激光线宽，在超短脉冲激光的激励下，从一个共同的低能级Ii上实现粒子数集居。从这些能级上辐射的荧光强度表现为受调制的e指数衰减规律，这种现象被称为“量子拍频”。,A,B,A.在短脉冲激发下，能级1和2的相干激发能级图 B.受调制的e指数衰减荧光强度,这是
3、由于相距根近的两个能级上辐射荧光振幅间相互干涉的结果。 量子拍频的条件：所选择的泵浦激光线宽应大于两个相邻能级之间的频率间隔,确定两个能级之差不受多普勒效应影响， 量子拍光谱学可以允许无多普勒分辨,测量的技术要求： 用短脉冲激光激发 探测系统的时间响应必须足够快，以便分辨时间间隔th(E2El),量子拍测量的技术要求,137Ba+离子的6p2P3/2超精细结构荧光量子拍频和它的傅立叶变换谱,Na原子32S1/2基态的塞曼量子拍信号， 是用瞬变数字记录仪对脉冲激光器的 单个脉冲所做的记录。,探测器,利用透射强度测量量子拍的实验方法,2、相干瞬态效应的理论,分子或原子系统用两能级系统进行描述,无光
4、场时哈密顿量,原子系统与光场相互作用 时哈密顿量,光场Z分量：,赝极化矢：,布洛赫方程：,该系统的与时间 有关的极化,有效光场,纵向弛豫时间:粒子数衰变时间横向弛豫时间:相衰变时间光学跃迁描述为跃迁矢量绕光矢量的进动，进动频率称为拉莫进动频率,无外加光场时,3、光子回波,假设N个原子被短激光脉冲从下能级E1同时激发到上能级E2 。 在跃迁E1 E2中，发射的总荧光强度：,跃迁E2 E1的 偶极矩阵元21,E1、 E2的权重因子,如果这些原子是非相干受激的，对相同原子：,总荧光强度：,相干激发下，N各受激原子在激发时刻t0建立确定的 相位关系，即N个受激态原子是同相的：,一切受激原子同相振动时刻
5、，荧光强度比非相干情况大N倍。 超辐射,总荧光强度：,光子回波的特性： t2-t1=t4-t3,t1=t2 信号以exp(- 2t1 T1)衰减。为均匀展宽。因为均匀展宽(如寿命展宽)是物质中固有的，所以内在消相是无法复相的。 光子回波是一种无多普勒效应高分辨率光谱，可以用来测量均匀展宽。 K42K2-K1 确定回波方向。 (t2-K2r/)- (t1-K1r /)= (t4-K4r /)- (t3-K2r /),双氢磷酸氨,样品：SF6 光源：CO2激光器,光子回波,4、光学章动,光学章动表现为当样品原子（或分子）被足够强的共振光场突然照射时，原子将首先被激发到高能态（共振吸收），然后回到较
6、低能态（受激发射）。交替循环地对激光吸收再发射。这种现象叫做光学章动。 产生原因：原子在强共振作用下，在上下能级间的强迫振动，由于弛豫效应，呈现处衰减振荡，透射光达到稳定状态是受感生弛豫跃迁限制的。,激发光场,光学章动信号,拉比频率2E/h,1、测定分子跃迁偶极矩 2、获得横向相干时间T2,与本征频率对激光频率的失谐量、 入射光强度有关,5、自感应衰减,自感应衰变：当样品原子在稳态条件下被一激光束共振激发，突然撤去共振激发场，这时被激发的偶极子处于同位相，因而样品将发射出强相干光，而且呈现出一种随时间而衰减的性质。,(A)用9.7微米连续CO2激光器得到的13CH3F光学章动信号 （B）10.
7、6微米得到的NH2D的自由感应衰减信号,频谱是斯塔克 位移，缓慢变化 是章动信号,斯塔克开关,二、脉冲傅立叶变换光谱学,稳频CO2激光激发 13CH3F分子基频3模中 （J,K）=(4,3)(5,3)跃迁 M=0,八条谱线形成四个 外差拍频,170kHz宽，间隔0.83MHz,单脉冲,双脉冲,规则脉冲列,短脉冲序列的多重相干作用,时间函数的场振幅,对应的频谱线型,本章小结,瞬态、相干的含义是什么？ 光学布洛赫方程及物理含义。 量子拍、光学章动、自感应衰减物理含义是什么？其信号曲线中都有振荡和衰减，振荡和衰减分别代表什么信息？ 如何利用光学布洛赫方程解释光子回波，光子回波信号中包含了那些信息？,