【汇旺担保】高分辨光谱学

10/25/2022
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[拼音]:gaofenbian guangpuxue

[英文]:high resolution spectroscopy

研究消除谱线多普勒增宽的光谱学分支。这里只涉及非线性领域。提高光谱学的解析度一直是光谱学家努力解决的课题之一。早期原子光谱的研究工作受到光谱仪的分辨本领的限制,使用了迈克耳孙干涉仪及法布里-珀罗干涉仪等灵敏仪器后,便有效地提高了测量光波波长的精密度。但是,对于很靠近的光谱线仍是分辨不开的,例如氢原子光谱中的巴耳末线的成分。这并不是因为干涉仪的效能不够完善,而是因为谱线不够细锐。谱线的宽度掩盖了它的细致结构。谱线增宽的一部分原因是自然宽度的增加,即使在最佳的观测条件下,光谱线也不是绝对单色的。其原因是原子的稳态并不是真正的稳态,原子被激发后,会在一定的时间内辐射能量,也就是说,处于激发态的原子总是要衰变的。激发态的这种有限寿命增大了谱线的自然宽度。

谱线的自然宽度给光谱学的分辨设定了一个限度。但是一直到镭射器在光谱研究中得到应用之前,几乎无法达到这个限度,其原因是在气体样品中,谱线在更大的程度上为多普勒效应所增宽,寻常的光谱学技术无法有效地消除谱线的多普勒增宽,因而也就难于提高光谱学的解析度了。

自1970年以来,镭射光谱学技术得到了很快的发展,这种技术的成效之一是显著地提高了光谱学的解析度,提高了几个数量级。镭射光谱学方法能够有效地消除谱线的多普勒增宽。这些方法主要是饱和光谱学、偏振光谱学及双光子光谱学。

饱和光谱学

依据镭射的两种主要性质:窄的谱线宽度和高的强度。所使用的镭射器多是连续波调频镭射器,特别是染料镭射器。在强镭射光束中,气体原子吸收光子的速率超过了原子返回原始能级的速率,因而能够使吸收给定频率的光子的原子数目有所减少。这就是说,镭射光束在道路上“扫除了”吸收这种频率的原子。当以相同频率的另一光束沿著同一道路通过气体样品时,就会发现气体原子对这种频率的光的吸收减少了。实际上,利用这种效应进行高分辨光谱学的研究时,是把调频镭射器的光束分裂成一个强的饱和光束和一个弱的测试光束。所谓饱和光束,粗略地说,就是能够激发大数目的原子,使原子的激发呈现饱和状态。这两条光束沿著相同的路程通过气体原子样品,但它们的传播方向相反。当镭射器的输出频率进行扫描并且正好调到原子能级跃迁的频率时,强的饱和光束便为一组特定的原子所吸收,这些原子在光束方向的速度分量为零。而在光束方向有速度分量的原子,由于多普勒效应,便不会吸收饱和光束中的光子。饱和光束就使得选定的态上的原子数目减少,因而在测试光束通过原子样品时,相应地经受到了小的吸收。这种吸收的频率范围由于没有多普勒效应而很窄。如果镭射光束的频率稍稍偏离于原子跃迁的频率,则两个光束便分别地和不同的原子发生相互作用,而不是像光束的频率恰好为原子跃迁频率时,两个光束和同一原子发生相互作用那样。因此,饱和光束对于测试光束的吸收便不起任何作用。由此可见,饱和光谱技术给出的测试光束讯号的宽度很窄,几乎接近谱线的自然宽度。

饱和光谱学技术是消除谱线的多普勒增宽的有效方法之一,它的用途是很广的。例子之一是用来研究氢原子光谱的巴耳末α线的精细结构,研究的结果比以前的精度高得多。此外, 在吸收光谱中首次观测到了22S┩与22P┩能级的兰姆移位。氢原子光谱的精细结构的精确资料提高了里德伯常数的精度。根据这种研究所确定的里德伯常数R=109737.311±0.012cm-1,这比以前的精度提高了近10倍。

偏振光谱学

消除多普勒效应的另一种方法是偏振光谱学技术。这种技术的特点是,测量光的偏振的微小变化比测量强度的变化要容易得多,因而测量的灵敏度可以明显地提高。如同在饱和光谱学中那样,从镭射器出射的光束也分为两束,其中一个比另一个要强得多,并且也是以相反方向通过所研究的样品的。但是,在偏振光谱学中,弱的测试光束是线偏振的并且通过放在交叉偏振器之间的气体样品。如果测试光束在通过样品时不改变它的偏振情况,是不会到达探测器的。但是饱和光束却能引起这种改变。因为当它首先通过四分之一波片时,它就变为圆偏振光了。圆偏振光的电场方向是转动的,或是顺时针转动或是逆时针转动。原子吸收圆偏振光的机率依赖于原子的角动量的取向。初始原子的取向是无规的,但当某些原子的取向能够吸收一种圆偏振光后,饱和光束便使得这些原子所处的原子能级变空了,而具有相反角动量取向的原子相对变多了。当线偏振的测试光束通过气体的同一区域时,取向的原子便会改变测试光束的传播。这个原因是容易理解的。线偏振光可以看作是强度相等的两种圆偏振光的叠加,一种圆偏振光的电场沿著顺时针方向转动,另一种圆偏振光的电场沿著逆时针方向转动。当测试光束通过气体时,它碰到的原子会过多地吸收一种圆偏振的光,因为这些原子相对的数目是多的。其结果是一种圆偏振光的强度有所减弱,而另一种则相对地变强。因此,从气体样品中出来的测试光束不再是线偏振的,而变为椭圆偏振光了。这样,测试光束就有了一个分量能够通过交叉的偏振器。但是,所有这些情况的发生必须是饱和光束与测试光束作用于相同原子上,即无多普勒移位的原子上。在这方面偏振光谱学同饱和光谱学是一样的,事实上,偏振光谱学是从饱和光谱学中派生出来的。这种光谱学技术的最大特点是基本上没有噪声,利用这种技术可以得到更为精密的能级结构知识,例如,测量结果把里德伯常数值的精度提高了三倍,而使之成为最精确的已知基本常数。

双光子光谱学

也是消除光谱线多普勒增宽的一种好方法。这种技术于1974年首先见诸报道。在这种技术中,一束光由反射镜沿著原路线反射回去,从而它们沿著相同的光轴向相反方向传播, 叠加后成为驻波。气体样品便放置在驻波场中。如果把镭射光束的频率调到所选定的原子跃迁频率的一半时,在一定的条件下,同光束发生相互作用的每一个原子会同时地从两个相反方向传播的光束中各吸收一个光子。

设想在驻波场中沿著光轴方向运动著的一个原子在吸收从相反方向来的两个光子时,光子之一的多普勒移位是朝著紫光方向的,也就是说具有较高的频率,而另一个光子的多普勒移位则是朝著红光方向的,移位的大小同前一个光子的相等。所以,两个被吸收的光子的总能量为常数,而不管原子的运动速度如何。因此,双光子吸收便抵消了原子运动的多普勒效应,原子吸收的光频率之和恰好为原子跃迁频率。如果镭射器的输出频率稍稍偏离于原子跃迁频率的一半时,原子便不会吸收两个相反方向的光子。因此,消除谱线多普勒增宽的效果是不佳的。即只有当镭射频率同原子跃迁频率相匹配时,才能有效地消除多普勒增宽。

在双光子吸收光谱学中,所有同镭射光束发生相互作用的原子都能对无多普勒效应的讯号作出贡献,而不仅限于垂直光轴方向运动的原子,因此无多普勒效应的讯号是很强的。这同饱和光谱学和偏振光谱学不同。在这两种光谱中,没有多普勒效应的原子是有选择的,原子的运动要垂直于光轴;而在双光子吸收光谱学中,凡是同光束发生相互作用的原子都可消除其多普勒效应。

高分辨光谱学技术广泛地应用于原子和分子的能级结构的研究中。直到现在,所得到的资料都属于验证理论的预言。但是20世纪物理学中的一些重大变化许多是由于理论和观测之间微小差别的发现而引起的,高分辨光谱学可能在这方面作出贡献来。

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