激光光谱学.第1卷,基础理论
激光光谱学.第2卷,实验技术

作　　者：（德）沃尔夫冈·戴姆特瑞德（W.Demtrouml;der） 著 姬扬 译
出 版 社：科学出版社
出版时间：2012年01月

索书号  O433.5/D226

精彩书摘 　　第1章导论
　　关于原子和分子结构的大部分知识都来自于光谱学研究，因此，光谱学为原子和分子物理学、化学以及分子生物学做出了卓越的贡献。电磁波与物质相互作用时产生的吸收谱或发射谱，可以用多种方式给出关于分子结构和分子与周围环境相互作用的信息。
　　测量谱线的波长，可以确定原子或分子系统的能级。谱线强度正比于跃迁几率，它量度了分子跃迁的两个能级之间的耦合强度。因为跃迁几率依赖于两个能级上的波函数，强度测量可以证实被激发电子的空间电荷分布，而这只能从薛定谔方程的近似解中粗略地计算出来。利用特殊的技术，可以分辨出谱线的自然线宽，从而确定分子激发态的平均寿命。测量多普勒宽度可以给出发射或吸收光子的分子的速度分布，从而得到样品的温度。从谱线的压强展宽和压强移动中，可以得到关于碰撞过程和原子间势场的信息。外磁场或外电场引起的塞曼劈裂和斯塔克劈裂是测量磁矩或电偶极矩的重要方法，它们反映了原子或分子中不同角动量之间的耦合，即使电子构型非常复杂。谱线的超精细结构给出了关于原子核与电子云之间相互作用的信息，从而可以确定原子核的磁偶极矩、电四极矩甚至更高阶的矩，例如八极矩。时间分辨测量可以跟随基态和激发态分子的动力学过程，研究碰撞过程和各种能量传递机制的细节。单原子与辐射场的激光光谱学研究可以严格地检验量子电动力学，而高精度的频率标准可以检验基本的物理常数是否会随着时间而发生微小的变化。
　　在光谱学为研究原子和分子微观世界所提供的多种多样的可能性中，这些例子只是很小的一部分而已。然而，从光谱中提取的信息量在实质上依赖于光谱能够达到的谱精度、时间精度以及探测灵敏度。
　　新技术（例如光谱仪中越来越大、越来越好的光栅，干涉仪使用的高反射率介电涂层，以及光学多通道分析仪、CCD相机和图像增强器等）在光学仪器中的应用显著地提高了探测的灵敏度。引入新型的光谱学技术，例如傅里叶光谱学、光学泵浦、能级交叉技术以及各种各样的双共振方法和分子束光谱学，也带来了巨大的进展。
　　虽然这些新技术带来了累累硕果，但是整个光谱学领域的真正推动力来自于激光器。在许多情况下，这些新光源可以将谱精度和灵敏度提高好几个数量级。与新的光谱技术结合起来，激光可以超越传统光谱学的基本限制。许多不能用非相干光源做的实验，现在可以做了，甚至已经成功了。本书分为两卷，讨论了这些激光光谱学的新技术，并介绍了必要的设备。
　　第1 卷介绍激光光谱学的物理基础和光谱实验室中最重要的实验设备。首先讨论经典光谱学的基本定义和概念，例如热辐射、受激辐射和自发辐射、辐射功率和强度、跃迁几率以及原子与弱电磁场和强电磁场的相互作用。因为激光的相干性质对于几种光谱学技术都非常重要，所以，我们概述了相干辐射场的基本定义，并简要地描述了相干激发的原子能级。
　　为了理解经典光谱学中光谱精度的理论极限，第3章讨论了谱线展宽的不同机制，以及可以从线型测量中得到的信息。在每节的后面，用数值例子给出了不同效应的数量级。
　　第4 章的内容对于激光光谱学实验是非常必要的，它讨论了光谱学仪器及其在波长测量和强度测量中的应用。光谱仪和单色仪曾经在经典光谱学中扮演过重要的角色，虽然现在已经被许多激光光谱学实验抛弃了，但是，在许多应用中，这些仪器仍然不可或缺。不同种类的干涉仪非常重要，它们不仅在激光共振腔中用来实现单模运行方式，还在许多精细的波长测量中被用于测量谱线的线型。因为确定波长是光谱学的一个中心问题，所以我们用整整一节来讨论精密波长测量的一些现代技术以及它们的精度。
　　强度不足是许多光谱学研究中的主要限制之一。因此，选择适当的光探测器非常重要。第4.5节讨论了几种光探测器和灵敏技术，例如光子计数，它的使用现在已经更加广泛。此外第2章到第4章讲述了一些不属于激光光谱学的主题（它们是一般光谱学的概念），第5章处理的是激光光谱学的基本工具：不同种类的激光器及其设计。它讨论了激光作为光谱辐射源的基本性质，简述了激光的基础知识，例如阈值条件、光学共振腔和激光模式。这里只讨论那些对于激光光谱学非常重要的激光特性。至于更为详细的讨论，请读者参考第5章中引用的文献，它们更为详尽地讨论了激光的性质和实验技术，它们使得激光成为非常有吸引力的光谱学光源。例如，讨论了波长稳定和连续调节波长的重要问题，描述了单模可调谐激光的实现以及激光线宽的限制等。本章的激光部分汇集了不同光谱范围内的不同种类的可调谐激光器，讨论了它们的优点和不足。光学倍频和混频过程可以极大地拓展可利用的光谱范围。第5章也讨论了与光谱学有关的这一非线性光学领域。
　　第2卷讲述了激光在光谱学研究中的各种应用，讨论了最近发展的不同方法。这些论述依赖于第1卷中讲述的一般性原理和光谱学仪器。首先讲述了激光光谱学的不同技术，然后介绍了近期进展以及激光光谱学在科学、技术、医药和环境研究中的各种应用。
　　本书旨在介绍光谱学的基本方法和仪器，重点在于激光光谱学。每章的例子都是为了说明正文并介绍其他一些可能的应用。它们主要与自由原子和分子的光谱学有关，而且，出于教学的目的，主要选自于文献或我们实验室的工作，并不代表发表日期的先后，当然，并非总是如此。关于激光光谱学这一广阔领域中更为详尽的成果汇集，读者可以参考激光光谱学的各种会议的会议文集[1.1]～[1.10]、关于激光光谱学的教科书或文集[1.11]～[1.31]。因为激光光谱学的发展主要由一些先驱者推动，回顾一下历史发展和历史人物是非常有趣的。在文献[1.32]和[1.33]中可以找到这样的个人回顾。本书尾部的参考文献清单可能有助于寻找某一特殊实验的更多细节，或者深化每章中的理论或实验。一本非常有用的“光谱学百科全书”[1.34，1.35]详细地讨论了激光光谱学的不同方面。
　　第2 章光的吸收和发射
　　本章讨论与物质发生相互作用的电磁波，讨论它们的吸收和发射。重点强调对于气态媒质的光谱非常重要的那些方面。首先讨论热辐射场和腔模的概念，以便澄清自发辐射和吸收与受激辐射和吸收之间的区别和联系。这就给出了爱因斯坦系数的定义及其相互关系。接下来的一节解释光测度学中的一些定义，例如辐射功率、强度和谱功率密度。
　　利用基于经典电动力学概念的经典模型，可以理解光学和光谱学中的许多现象。例如，利用原子中电子的阻尼谐振子模型，可以描述物质中电磁波的吸收和发射。在大多数情况下，不难给出经典结果的量子力学描述。第2.7节将简要介绍半经典方法。
　　激光光谱学中的许多实验依赖于辐射的相干性以及原子或分子能级的相干激发。因此，在本章的末尾，讨论了光场的时间相干性和空间相干性的基本概念，以及用于描述原子相干性的密度矩阵方法。
　　在正文中，经常用“光”这个词描述所有谱区中的电磁辐射。同样，“分子”这个词一般来说也包括原子。然而，我们的讨论和绝大多数的例子都是气态媒质，即自由的原子或分子。