諾貝爾獎(jiǎng)與光學(xué)激光光譜

1、諾貝爾獎(jiǎng)與光學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)與光學(xué)Nobel Prize and OpticsNobel Prize and Optics激激光光光光譜譜Laser spectroscopists, photographed in front of Fudan Universitys physics building in Shanghai, China, to mark the International Conference on Lasers held there and in Beijing in 1980. Participants included, from left to right, Yu-Fen

2、 Li, Zhi-Ming Zhang, John Hall, George Temmer, Aram Mooradian, Herbert Walther, Richard Brewer, an unidentified scientist, and Fu-Ming Li.Phys. Today 60, 1, 49 (2007); /10.1063/1.2709559激光光譜激光光譜 光源與光光源與光譜譜 光譜光譜學(xué)學(xué) 傳統(tǒng)光譜學(xué)的建立與發(fā)展 發(fā)射與吸收光譜 熒光光譜 激光光譜學(xué) 肖洛與激光光譜學(xué)肖洛與激光光譜學(xué) 激光誘導(dǎo)熒光光譜 雙光子、多光子熒光光譜雙光子

3、、多光子熒光光譜 拉拉曼散射光曼散射光譜譜光源與光譜光源與光譜 光源光源任何發(fā)光的物體任何發(fā)光的物體 單色光單色光 單一波長的光單一波長的光 非單色光非單色光 ：dI 代表波長在代表波長在到到d 的光強(qiáng)的光強(qiáng)i () = dI /d 代表單位波長區(qū)間的光強(qiáng)代表單位波長區(qū)間的光強(qiáng)譜線寬度譜線寬度光源與光譜光源與光譜連續(xù)光連續(xù)光譜譜線光譜線光譜白熾燈LED燈日光燈節(jié)能燈光譜學(xué)光譜學(xué) 光學(xué)的一個(gè)重要分支學(xué)科，主要研光學(xué)的一個(gè)重要分支學(xué)科，主要研究各種物質(zhì)的光譜的產(chǎn)生及其與物究各種物質(zhì)的光譜的產(chǎn)生及其與物質(zhì)之間的相互作用質(zhì)之間的相互作用 光譜是電磁輻射按照波長的有序排光譜是電磁輻射按照波長的有序排列。

4、不同原子或分子有不同的特征列。不同原子或分子有不同的特征光譜。利用物質(zhì)對(duì)光波長的依賴關(guān)光譜。利用物質(zhì)對(duì)光波長的依賴關(guān)系，可研究物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)系，可研究物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)光譜學(xué)光譜學(xué) 通過光譜的研究，可以得到原子、通過光譜的研究，可以得到原子、分子等的能級(jí)結(jié)構(gòu)、能級(jí)壽命、電分子等的能級(jí)結(jié)構(gòu)、能級(jí)壽命、電子的組態(tài)、分子的幾何形狀、化學(xué)子的組態(tài)、分子的幾何形狀、化學(xué)鍵的性質(zhì)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等多方面物鍵的性質(zhì)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等多方面物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí) 光譜學(xué)技術(shù)不僅僅是一種科學(xué)工具，光譜學(xué)技術(shù)不僅僅是一種科學(xué)工具，在化學(xué)分析中它也提供了重要的定在化學(xué)分析中它也提供了重要的定性與定量的分析方法性與定量的分析

5、方法 16661666年牛頓年牛頓 太陽光通過玻璃棱鏡分解為紅光到紫光的各太陽光通過玻璃棱鏡分解為紅光到紫光的各種顏色，發(fā)現(xiàn)白光是由各種顏色的光組成的種顏色，發(fā)現(xiàn)白光是由各種顏色的光組成的- -光譜學(xué)的開始光譜學(xué)的開始傳統(tǒng)光譜學(xué)的建立與發(fā)展傳統(tǒng)光譜學(xué)的建立與發(fā)展Newtons experimental arrangement （from Voltaires Elments de la Philosophie de Newton, published in 1738）傳統(tǒng)光譜學(xué)的建立與發(fā)展 18141814年德國物理學(xué)家年德國物理學(xué)家夫瑯和費(fèi)夫瑯和費(fèi)，在測(cè)試?yán)?，在測(cè)試?yán)忡R折射率時(shí)，首先發(fā)現(xiàn)了太陽

6、光譜的暗線鏡折射率時(shí)，首先發(fā)現(xiàn)了太陽光譜的暗線( (太陽周圍大氣吸收內(nèi)部的輻射，在連續(xù)光太陽周圍大氣吸收內(nèi)部的輻射，在連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)一條條黑的吸收線譜的背景上呈現(xiàn)一條條黑的吸收線) )。兩年。兩年中確定太陽光譜暗線近中確定太陽光譜暗線近600600條，用字母標(biāo)識(shí)條，用字母標(biāo)識(shí)它們位置，測(cè)出暗線對(duì)應(yīng)的波長及相應(yīng)的它們位置，測(cè)出暗線對(duì)應(yīng)的波長及相應(yīng)的吸收元吸收元素素 18531853年，瑞典物理學(xué)家年，瑞典物理學(xué)家埃斯特朗埃斯特朗觀測(cè)到氫觀測(cè)到氫原子光譜中的最強(qiáng)一條譜線，并首先采用原子光譜中的最強(qiáng)一條譜線，并首先采用1010-8-8cmcm作為波長的單位，命名為埃作為波長的單位，命名為埃(A

7、)(A)。還。還繪制出近百種元素的光譜繪制出近百種元素的光譜圖。圖。實(shí)用光譜學(xué)的建立 18591859年年, ,德國物理學(xué)家德國物理學(xué)家基爾霍夫基爾霍夫與德國化學(xué)與德國化學(xué)家家本生本生研制分光鏡。發(fā)現(xiàn)了每種元素不僅研制分光鏡。發(fā)現(xiàn)了每種元素不僅發(fā)射、同時(shí)也吸收自己特征譜線的光，建發(fā)射、同時(shí)也吸收自己特征譜線的光，建立了吸收光譜的基爾霍夫定立了吸收光譜的基爾霍夫定律。律。 6.3645.6 ,5 ,4 ,3422BnnnB 18851885年，從事天文測(cè)量的瑞士科學(xué)家年，從事天文測(cè)量的瑞士科學(xué)家巴耳巴耳末末找到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式說明已知的氫原子譜找到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式說明已知的氫原子譜線的位置，這一組線稱為

8、巴耳末系（可見線的位置，這一組線稱為巴耳末系（可見光光H H、H H 、 H H、H H） 1722100968.14.6 ,5 ,4 ,3)121(1mBRnnRHH 18891889年，瑞典光譜學(xué)家年，瑞典光譜學(xué)家里德伯里德伯發(fā)現(xiàn)了許多發(fā)現(xiàn)了許多元素的線狀光譜系，其中最為明顯的為堿元素的線狀光譜系，其中最為明顯的為堿金屬原子的光譜系，和氫原子的光譜一樣，金屬原子的光譜系，和氫原子的光譜一樣，它們都能滿足一個(gè)簡單的公式：里德堡公它們都能滿足一個(gè)簡單的公式：里德堡公式（式（RH 為氫原子的里為氫原子的里德伯常數(shù)）。德伯常數(shù)）。 湯姆遜（湯姆遜（J.J. Thomson） 盧瑟福（盧瑟福（Ern

9、est Rutherford）原子模型原子模型 玻爾模型中，原玻爾模型中，原子的可能形態(tài)是不連子的可能形態(tài)是不連續(xù)的，因此各狀態(tài)對(duì)續(xù)的，因此各狀態(tài)對(duì)應(yīng)的能量也是不連續(xù)應(yīng)的能量也是不連續(xù)的。這些能量值叫做的。這些能量值叫做能級(jí)能級(jí)。能量最低的狀。能量最低的狀態(tài)為態(tài)為基態(tài)基態(tài)，其他狀態(tài)，其他狀態(tài)為為激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)。原子處于。原子處于基態(tài)時(shí)最穩(wěn)定，處于基態(tài)時(shí)最穩(wěn)定，處于較高能級(jí)時(shí)會(huì)自發(fā)地較高能級(jí)時(shí)會(huì)自發(fā)地向較低能級(jí)向較低能級(jí)躍遷躍遷。E=E2-E1=hu u量子力學(xué)與光譜學(xué)的發(fā)展量子力學(xué)與光譜學(xué)的發(fā)展 18921892年，邁克耳孫就發(fā)現(xiàn)了巴耳末線年，邁克耳孫就發(fā)現(xiàn)了巴耳末線系中最強(qiáng)譜線實(shí)際上是由間隔系

10、中最強(qiáng)譜線實(shí)際上是由間隔0.140.14埃埃的兩條譜線組成。這一現(xiàn)象直到的兩條譜線組成。這一現(xiàn)象直到2020世世紀(jì)量子力學(xué)建成后，才利用電子的軌紀(jì)量子力學(xué)建成后，才利用電子的軌道的角動(dòng)量與自旋角動(dòng)量的結(jié)合獲得道的角動(dòng)量與自旋角動(dòng)量的結(jié)合獲得解釋解釋 19251925年，在解釋堿金屬光譜的測(cè)量結(jié)年，在解釋堿金屬光譜的測(cè)量結(jié)果時(shí)，荷蘭裔美國物理學(xué)家烏倫貝克果時(shí)，荷蘭裔美國物理學(xué)家烏倫貝克正式引入電子自旋的概念正式引入電子自旋的概念 發(fā)射光譜發(fā)射光譜 物質(zhì)受到外界能量激發(fā)后而發(fā)射出的特征光物質(zhì)受到外界能量激發(fā)后而發(fā)射出的特征光譜線譜線 原子發(fā)射光譜分析儀器示意圖原子發(fā)射光譜分析儀器示意圖發(fā)射光發(fā)射光

11、譜譜 吸收光譜吸收光譜 物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收收 原原子吸收光譜：原子中的電子選擇性地吸子吸收光譜：原子中的電子選擇性地吸收某些波長收某些波長(如太陽光譜中的暗線如太陽光譜中的暗線) 分分子吸收光譜：子吸收光譜：分子從一種能態(tài)改變?yōu)榱硪环N能態(tài)時(shí)吸收分子從一種能態(tài)改變?yōu)榱硪环N能態(tài)時(shí)吸收(或發(fā)射或發(fā)射)光譜。分為電子能級(jí)（光譜。分為電子能級(jí)（120eV)、 振動(dòng)能級(jí)振動(dòng)能級(jí)(0.051eV)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)(0.05eV)的的吸收。能級(jí)多而復(fù)雜。吸收。能級(jí)多而復(fù)雜。吸收光吸收光譜譜發(fā)射與吸收光發(fā)射與吸收光譜譜發(fā)射與吸收光譜發(fā)射與吸收光譜熒光光譜熒光光譜 用用波長較短的光照射到某

12、種物質(zhì)，物質(zhì)吸波長較短的光照射到某種物質(zhì)，物質(zhì)吸收光波后發(fā)出波長較長的光輻射（發(fā)射）收光波后發(fā)出波長較長的光輻射（發(fā)射）稱為熒稱為熒光光 熒熒光光譜分析光光譜分析 利用某種物質(zhì)受光照射利用某種物質(zhì)受光照射所產(chǎn)生的熒光的特性和強(qiáng)度，進(jìn)行物質(zhì)的所產(chǎn)生的熒光的特性和強(qiáng)度，進(jìn)行物質(zhì)的定性或定量分析定性或定量分析傳統(tǒng)光譜分析法：放電管，加熱爐等傳統(tǒng)光譜分析法：放電管，加熱爐等SpectrometerPhton detectorHigh voltageDischarge tubeRecorder用于光譜研究的裝置包含：用于光譜研究的裝置包含：光源（激光器、單色光源等）光源（激光器、單色光源等）收集光元件（

13、透鏡等）收集光元件（透鏡等）分光儀器（單色儀）分光儀器（單色儀）光學(xué)探測(cè)器（光電倍增管、光學(xué)探測(cè)器（光電倍增管、CCD）、）、記錄設(shè)備（計(jì)算機(jī)、記錄儀）等記錄設(shè)備（計(jì)算機(jī)、記錄儀）等傳統(tǒng)光譜學(xué)的局限性傳統(tǒng)光譜學(xué)的局限性 使用普通光源，要提高探測(cè)分辨率，需要增強(qiáng)使用普通光源，要提高探測(cè)分辨率，需要增強(qiáng)光源的單色性，但增強(qiáng)光源的單色性，又以降光源的單色性，但增強(qiáng)光源的單色性，又以降低光源的強(qiáng)度為代低光源的強(qiáng)度為代價(jià)，并價(jià)，并影響到探測(cè)的靈敏度。影響到探測(cè)的靈敏度。 在弱光輻射情況下，光譜中的許多非線性效應(yīng)在弱光輻射情況下，光譜中的許多非線性效應(yīng)表現(xiàn)不出來，包含物質(zhì)結(jié)構(gòu)深層次的信息被阻表現(xiàn)不出來，包

14、含物質(zhì)結(jié)構(gòu)深層次的信息被阻斷。傳統(tǒng)光譜學(xué)必須利用棱鏡或光柵作為分光斷。傳統(tǒng)光譜學(xué)必須利用棱鏡或光柵作為分光器件，而這些器件的分辨率受到一定的限制，器件，而這些器件的分辨率受到一定的限制，因而譜線的許多細(xì)節(jié)不能被觀察因而譜線的許多細(xì)節(jié)不能被觀察到。到。激光光譜學(xué)激光光譜學(xué) 激光光譜學(xué)激光光譜學(xué)用激光作為光源，在物用激光作為光源，在物質(zhì)的吸收光譜、發(fā)射光譜、熒光光譜等質(zhì)的吸收光譜、發(fā)射光譜、熒光光譜等研究中，利用激光單色性好、可調(diào)諧、研究中，利用激光單色性好、可調(diào)諧、超快等特性進(jìn)行高靈敏度、高空間、高超快等特性進(jìn)行高靈敏度、高空間、高時(shí)間分辨率的光譜研究。激光光譜學(xué)已時(shí)間分辨率的光譜研究。激光光譜

15、學(xué)已成為與物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)及材料科成為與物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)及材料科學(xué)等密切相關(guān)的研究領(lǐng)域?qū)W等密切相關(guān)的研究領(lǐng)域 人物人物獲獎(jiǎng)原因獲獎(jiǎng)原因 Bloemberge, （1920-）美國）美國Schawlow （1921-1999）美國）美國 1981年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)for their contribution to the development of laser spectroscopy發(fā)展激光光譜學(xué)的貢獻(xiàn)發(fā)展激光光譜學(xué)的貢獻(xiàn)(布隆姆伯根主要貢獻(xiàn)為非線布隆姆伯根主要貢獻(xiàn)為非線性光學(xué)的奠基人，肖洛主要性光學(xué)的奠基人，肖洛主要為激光光譜學(xué)的奠基人）為激光光譜學(xué)的奠基人）布隆姆伯

16、根、肖洛的貢獻(xiàn) 肖洛用激光打氣球肖洛用激光打氣球肖肖洛與激光光譜學(xué)洛與激光光譜學(xué)In the 1940s when Art was a graduate student at the University of Toronto, use high-resolution optical spectroscopy to measure nuclear properties from their effects on the spectra of atoms. The shifts and splittings of spectral lines from the interactions betw

17、een electrons and nuclei were so small that they are known as hyperfine structures. To resolve them, we needed to build high resolution spectroscopic equipment. We also had to reduce the widths of the spectral lines from our light source.When the gas density is so low that collisions could be neglec

18、ted, the principal source of the line widths is the Doppler-broadening from the thermal motions of the atoms. 多普多普勒展寬勒展寬 多普勒效應(yīng)：原子朝觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)，發(fā)光頻多普勒效應(yīng)：原子朝觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)，發(fā)光頻率增大（藍(lán)移）；率增大（藍(lán)移）；原原子遠(yuǎn)離觀子遠(yuǎn)離觀測(cè)測(cè)者，者，發(fā)光發(fā)光頻頻率率減小減?。t移）（紅移） 多普勒展寬：由于氣體原子的速度有一定多普勒展寬：由于氣體原子的速度有一定分布范圍，導(dǎo)致發(fā)光譜線有一定的寬度：分布范圍，導(dǎo)致發(fā)光譜線有一定的寬度：肖洛與激光光譜學(xué)肖洛與激光光譜學(xué)Th

19、is Doppler width, as a fraction of the line frequency is of the order of V/c, where V is the atomic velocity and c is the velocity of light, or typically about 10-5. We were able to reduce it by a factor of ten or so, by using a roughly collimated beam of atoms, excited by an electron beam, and by o

20、bserving the emitted light from a direction perpendicular to the atomic beam. The hyperfine structures we sought could be resolved, but four hours exposure time on our photographic plates was required. It seemed that there really ought to be an easier method that would give still sharper spectral li

21、nes, and indeed a large part of our work in laser spectroscopy has been devoted to finding such methods. 肖洛與激光光譜學(xué)肖洛與激光光譜學(xué)A Carbide and Carbon Chemicals postdoctoral fellowship took Art to Columbia University to work with Charles H. Townes. What a marvelous place Columbia was then, under I.I. Rabis l

22、eadership! There were no less than eight future Nobel laureates in the physics department during Arts two years there. Working with Charles Townes was particularly stimulating. Not only was he the leader in research on microwave spectroscopy, but he was extraordinarily effective in getting the best

23、from his students and colleagues. He would listen carefully to the confused beginnings of an idea, and join in developing whatever was worthwhile in it, without ever dominating the discussions. Best of all, he introduced Art to his youngest sister, Aurelia, who became Arts wife in 1951.肖洛與激光光譜學(xué)肖洛與激光

24、光譜學(xué)From 1951 to 1961, Art was a physicist at Bell Telephone Laboratories. There Arts research was mostly on superconductivity, with some studies of nuclear quadrupole resonance. On weekends Art worked with Charles Townes on our book Microwave Spectroscopy, which had been started while Art was at Col

25、umbia and was published in 1955. In 1957 and 1958, while mainly still continuing experiments on superconductivity, Art worked with Charles Townes to see what would be needed to extend the principles of the maser to much shorter wavelengths, to make an optical maser or, as it is now known, a laser. T

26、hereupon, Art began work on optical properties and spectra of solids which might be relevant to laser materials, and then on lasers.肖洛與激光光譜學(xué)肖洛與激光光譜學(xué) Since 1961, Art have been a professor of physics at Stanford University and was chairman of the department of physics from 1966 to 1970. At Stanford, i

27、t has been a pleasure to do physics with an outstanding group of graduate students, occasional postdoctoral research associates and visitors. Most especially the interaction with Professor Theodor W. Hansch has been continually delightful and stimulating.肖洛與激光光譜學(xué)肖洛與激光光譜學(xué)Art embarked on a remarkable

28、career developing laser spectroscopy. With Ted Hnsch, a research associate from Germany and then a faculty member at Stanford from 1975 to 1986, Art co-invented an extremely precise form of optical spectroscopy, called saturation spectroscopy. Starting with iodine molecules and sodium atoms, they mo

29、ved on to the hydrogen atom to make the most precise measurement of the magnetic moment of the electron using Doppler-free two-photon spectroscopy.In 1975, Schawlow and Hnsch published their suggestion that laser light could cool free atoms to extremely low temperatures.肖洛與激光光譜學(xué)肖洛與激光光譜學(xué) 19551955年肖洛與

30、湯斯合著年肖洛與湯斯合著微波波譜學(xué)微波波譜學(xué)19611961年到斯坦福大學(xué)發(fā)展激光光譜技術(shù)年到斯坦福大學(xué)發(fā)展激光光譜技術(shù)高分辨率激光光譜學(xué)方面，創(chuàng)造多種新方法：高分辨率激光光譜學(xué)方面，創(chuàng)造多種新方法：飽和吸收光譜飽和吸收光譜(1971)(1971)、內(nèi)調(diào)制熒光光譜、內(nèi)調(diào)制熒光光譜(1972)(1972)、雙光子光譜雙光子光譜(1974)(1974)、激光識(shí)別光譜、激光識(shí)別光譜(1976)(1976)、偏、偏振光譜振光譜(1976)(1976)、兩步偏振標(biāo)識(shí)光譜、兩步偏振標(biāo)識(shí)光譜(1979)(1979)、光、光電流光譜電流光譜(1979)(1979)、偏振內(nèi)調(diào)制激勵(lì)光譜、偏振內(nèi)調(diào)制激勵(lì)光譜(19

31、81) (1981) 多普勒效應(yīng)吸收多普勒效應(yīng)吸收激光高分辨光譜激光高分辨光譜飽和吸收光譜測(cè)量飽和吸收光譜測(cè)量 H線的精細(xì)結(jié)構(gòu)線的精細(xì)結(jié)構(gòu)24000 MHz260 MHz400 KHzWidth-2kHz!激光吸收光譜激光吸收光譜 很高的光譜分辨率很高的光譜分辨率 極極高的探測(cè)靈敏度高的探測(cè)靈敏度 增大吸收長度增大吸收長度 光光譜功率密度高、功率穩(wěn)定技術(shù)譜功率密度高、功率穩(wěn)定技術(shù) 傳統(tǒng)吸收光譜探測(cè)極限取決于探測(cè)器噪聲和光傳統(tǒng)吸收光譜探測(cè)極限取決于探測(cè)器噪聲和光源強(qiáng)度漲落：源強(qiáng)度漲落：10-5I激光激光熒光熒光S0S1基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)E=h激光激光熒光熒光激光熒光光激光熒光光譜譜優(yōu)優(yōu)點(diǎn)：點(diǎn)：

32、激光使吸收物體中相當(dāng)數(shù)量的分子提激光使吸收物體中相當(dāng)數(shù)量的分子提升到激發(fā)量子態(tài)，極大地提高了熒光光譜的升到激發(fā)量子態(tài)，極大地提高了熒光光譜的靈敏度靈敏度熒光光譜方法熒光光譜方法實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置單單色儀色儀激光激光樣品樣品熒光熒光計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)透鏡透鏡透鏡透鏡掃描平臺(tái)掃描平臺(tái)樣品樣品激激光光器器單單色儀色儀計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)光纖光纖掃描平臺(tái)掃描平臺(tái)激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(LIF) 用波長與樣品用波長與樣品( (分子或原子分子或原子) )的吸收線相匹的吸收線相匹配的激光配的激光( (激發(fā)光激發(fā)光) )輻照樣品，共振吸收后輻照樣品，共振吸收后樣品處于激發(fā)態(tài)，并快速向基態(tài)躍遷，發(fā)樣品處于激發(fā)態(tài)，并快

33、速向基態(tài)躍遷，發(fā)出熒光輻射?？捎么司_研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)出熒光輻射。可用此精確研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。構(gòu)。 激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)與一般發(fā)射光譜相比，特點(diǎn)與一般發(fā)射光譜相比，特點(diǎn)一般發(fā)射光譜一般發(fā)射光譜激光誘導(dǎo)熒光光譜激光誘導(dǎo)熒光光譜輻射的原子或分子處輻射的原子或分子處于密集的激發(fā)態(tài)，難于密集的激發(fā)態(tài)，難以分辨以分辨激光線寬窄，可選激光線寬窄，可選擇特殊吸收線共振擇特殊吸收線共振激發(fā)，有確定的振激發(fā)，有確定的振轉(zhuǎn)能級(jí)。高靈敏度，轉(zhuǎn)能級(jí)。高靈敏度，有效的空間、時(shí)間有效的空間、時(shí)間分辨率分辨率激光誘導(dǎo)熒光光譜測(cè)量裝置激光誘導(dǎo)熒光光譜測(cè)量裝置SpectrometerLaser beamLensRec

34、order or computerSamplePhoto-detector分光計(jì)分光計(jì)光子探測(cè)器光子探測(cè)器LIF原理圖：激發(fā)波長固定，分原理圖：激發(fā)波長固定，分光計(jì)對(duì)熒光掃描，得到光譜光計(jì)對(duì)熒光掃描，得到光譜FluorescenceExcitationLower statesUpper state激發(fā)到共激發(fā)到共振能級(jí)振能級(jí)激光激發(fā)光譜原理圖：激光激發(fā)光譜原理圖：激發(fā)波長可調(diào)諧激發(fā)波長可調(diào)諧 (掃描掃描)，得到熒光譜，得到熒光譜FluorescenceExcitationUpper statesLower states雙光子、多光子熒光光譜雙光子、多光子熒光光譜可以獲得單個(gè)光子所不能達(dá)到的激發(fā)

35、態(tài)，研可以獲得單個(gè)光子所不能達(dá)到的激發(fā)態(tài)，研究不同激發(fā)態(tài)之間的躍遷究不同激發(fā)態(tài)之間的躍遷下能級(jí)下能級(jí)虛能級(jí)虛能級(jí)多光子激發(fā)熒光多光子激發(fā)熒光- -更高的空間分辨率更高的空間分辨率激光激光熒光熒光S S0 0S1基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)三三光光子子激激發(fā)發(fā)雙雙光光子子激激發(fā)發(fā)單單光光子子激激發(fā)發(fā)(1) 吸收幾率：吸收幾率：雙光子雙光子單光子單光子三光子三光子雙光子雙光子(2) 非線性熒光光強(qiáng)：非線性熒光光強(qiáng)： 單光子：單光子： I 雙光子雙光子： I 2 三光子三光子： I 3( I : I : 激發(fā)光強(qiáng)即光功率密度，或者說單位時(shí)間單位面積的光子數(shù)激發(fā)光強(qiáng)即光功率密度，或者說單位時(shí)間單位面積的光子數(shù)

36、。)350 nm700 nm1050 nm多光子激發(fā)熒光多光子激發(fā)熒光 提高提高空間分辨率空間分辨率 增加探測(cè)深度增加探測(cè)深度-6-4-202460.00.81.0Intensityposition Intensity Intensity2 Intensity3激光光譜的應(yīng)用激光光譜的應(yīng)用激光光譜應(yīng)用實(shí)例（激光微區(qū)光譜分析激光光譜應(yīng)用實(shí)例（激光微區(qū)光譜分析SpectrometerDrilling laser beamAnalysis beamSample高亮度、高單色性高亮度、高單色性激光聚焦激發(fā)樣品激光聚焦激發(fā)樣品,并用另一束激光進(jìn)并用另一束激光進(jìn)行分析行分析激光光譜在醫(yī)學(xué)

37、中的應(yīng)用：激光光譜在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：利用熒光光譜確定病變部位利用熒光光譜確定病變部位激光光譜的應(yīng)用激光光譜的應(yīng)用多光子解離多光子解離 多光子解離激光分離同位素多光子解離激光分離同位素散射光譜散射光譜通過介質(zhì)的散射光譜。通過介質(zhì)的散射光譜。瑞利散射：頻率不變；瑞利散射：頻率不變；拉曼散射：除了原有的頻率外，還拉曼散射：除了原有的頻率外，還有頻率改變的光出現(xiàn)，光強(qiáng)很弱，有頻率改變的光出現(xiàn)，光強(qiáng)很弱，但其頻率、強(qiáng)度及偏振情況與散射但其頻率、強(qiáng)度及偏振情況與散射物質(zhì)中分子中振動(dòng)能級(jí)相對(duì)應(yīng)。可物質(zhì)中分子中振動(dòng)能級(jí)相對(duì)應(yīng)?？梢匝芯课镔|(zhì)的結(jié)構(gòu)及組成。以研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及組成。激光拉曼光譜激光拉曼光譜人物人物獲獎(jiǎng)

38、原因獲獎(jiǎng)原因Raman（1888-1970）印度）印度1930年獲獎(jiǎng)年獲獎(jiǎng)for his work on the scattering of light and for the discovery of the effect named after him研究光的散射并發(fā)現(xiàn)以他名研究光的散射并發(fā)現(xiàn)以他名字命名的字命名的“拉曼效應(yīng)拉曼效應(yīng)” 拉曼的貢獻(xiàn)拉曼的貢獻(xiàn)拉拉曼生平曼生平 1888 年生；年生；16歲大學(xué)畢業(yè)歲大學(xué)畢業(yè)，19歲獲歲獲碩士學(xué)碩士學(xué)位；位； 因病，失因病，失去了去英國去了去英國某著某著名大學(xué)作博士論文的名大學(xué)作博士論文的機(jī)會(huì)機(jī)會(huì)。投。投考財(cái)政考財(cái)政部，部，被授予總會(huì)被授予總會(huì)計(jì)

39、助計(jì)助理的職務(wù)理的職務(wù)。同時(shí)在印同時(shí)在印度科學(xué)教育協(xié)度科學(xué)教育協(xié)會(huì)開展聲學(xué)會(huì)開展聲學(xué)和光學(xué)研和光學(xué)研究；究； 1917年加爾各答大學(xué)破例邀請(qǐng)他擔(dān)任物理學(xué)教年加爾各答大學(xué)破例邀請(qǐng)他擔(dān)任物理學(xué)教授。他仍授。他仍在印度在印度科學(xué)科學(xué)教育協(xié)會(huì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不斷教育協(xié)會(huì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不斷有學(xué)生、教師和訪問學(xué)者到這里來向他學(xué)習(xí)、有學(xué)生、教師和訪問學(xué)者到這里來向他學(xué)習(xí)、與他合作，逐漸形成了以他為核心的學(xué)術(shù)團(tuán)與他合作，逐漸形成了以他為核心的學(xué)術(shù)團(tuán)體；體； 1921年年，代，代表加爾各答大學(xué)去英國講表加爾各答大學(xué)去英國講學(xué)，在船學(xué)，在船上研究海水的顏色；上研究海水的顏色；拉曼生平拉曼生平 1921年開始探年開始探索索各

40、種各種透明媒質(zhì)中光散射的透明媒質(zhì)中光散射的規(guī)規(guī)律；律； 在在1928年年初得出初得出明確的結(jié)明確的結(jié)論，發(fā)現(xiàn)論，發(fā)現(xiàn)拉曼效拉曼效應(yīng)；應(yīng)； 1934年年，和，和其他學(xué)者一起創(chuàng)建了印度科學(xué)其他學(xué)者一起創(chuàng)建了印度科學(xué)院，并親任院長院，并親任院長。 1947年年，創(chuàng)，創(chuàng)建拉曼研究所建拉曼研究所。為發(fā)。為發(fā)展印度的展印度的科學(xué)事科學(xué)事業(yè)立業(yè)立下了豐功偉績下了豐功偉績。 1970年逝世，享年年逝世，享年82歲。歲。拉曼效拉曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)應(yīng)的發(fā)現(xiàn) 瑞利說：瑞利說：“深海的藍(lán)色并不是海水的顏色，只深海的藍(lán)色并不是海水的顏色，只不過是天空藍(lán)色被海水反射所致不過是天空藍(lán)色被海水反射所致?！?拉曼在啟程去英國時(shí)，行裝

41、里準(zhǔn)備了一套實(shí)驗(yàn)拉曼在啟程去英國時(shí)，行裝里準(zhǔn)備了一套實(shí)驗(yàn)裝裝置觀察海置觀察海水自身的顏色。結(jié)水自身的顏色。結(jié)果看果看到的是比天到的是比天空還更深空還更深的藍(lán)的藍(lán)色。他又用光柵分析海水的顏色，色。他又用光柵分析海水的顏色，發(fā)現(xiàn)海水光譜的最大值比天空光譜的最大值更發(fā)現(xiàn)海水光譜的最大值比天空光譜的最大值更偏藍(lán)?？梢?，海水的顏色并非由天空顏色引起偏藍(lán)?？梢?，海水的顏色并非由天空顏色引起的的，而，而是海水本身的一種性質(zhì)。拉曼認(rèn)為這一是海水本身的一種性質(zhì)。拉曼認(rèn)為這一定是起因于水分子對(duì)光的散射。定是起因于水分子對(duì)光的散射。拉曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)拉曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)拉曼返回印度后，立即在科學(xué)教育協(xié)會(huì)開展一系列的實(shí)驗(yàn)和理論

42、研究，探索拉曼返回印度后，立即在科學(xué)教育協(xié)會(huì)開展一系列的實(shí)驗(yàn)和理論研究，探索各種各種透明媒透明媒質(zhì)中質(zhì)中光散射的規(guī)律光散射的規(guī)律。1923年年4月，他的學(xué)生之一拉瑪納桑月，他的學(xué)生之一拉瑪納桑（K.R.Ramanathan）第一次觀察到了光散）第一次觀察到了光散射中顏色改變的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)是以太陽作光源，經(jīng)紫色濾光片后照射盛有純水射中顏色改變的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)是以太陽作光源，經(jīng)紫色濾光片后照射盛有純水或純酒精的燒瓶或純酒精的燒瓶，然，然后從側(cè)面觀察，卻出乎意料地觀察到了很弱的綠色成份。后從側(cè)面觀察，卻出乎意料地觀察到了很弱的綠色成份。拉瑪納桑不理解這一現(xiàn)象，把它看成是由于雜質(zhì)造成的二次輻射，和熒拉瑪納桑

43、不理解這一現(xiàn)象，把它看成是由于雜質(zhì)造成的二次輻射，和熒光類光類似。因此，在論文中稱之為似。因此，在論文中稱之為“弱熒光弱熒光”。然而拉曼不相信這是雜質(zhì)造成的現(xiàn)。然而拉曼不相信這是雜質(zhì)造成的現(xiàn)象。如果真是雜質(zhì)的熒光，在仔細(xì)提純的樣品中，應(yīng)象。如果真是雜質(zhì)的熒光，在仔細(xì)提純的樣品中，應(yīng)該能該能消除這一效應(yīng)消除這一效應(yīng)。在以后的兩年中，拉曼的另一名學(xué)生克利希南（在以后的兩年中，拉曼的另一名學(xué)生克利希南（K.S.Krishnan）觀測(cè)了經(jīng)過提）觀測(cè)了經(jīng)過提純的純的65種液體的散射光，證種液體的散射光，證明都明都有類似的有類似的“弱熒光弱熒光”，而且他還發(fā)現(xiàn)，顏色，而且他還發(fā)現(xiàn)，顏色改變了的散射光是部分

44、偏振的。眾所周知，熒光是一種自然光，不具偏振性。改變了的散射光是部分偏振的。眾所周知，熒光是一種自然光，不具偏振性。由此證由此證明，明，這種波長變化的現(xiàn)象不是熒光效應(yīng)這種波長變化的現(xiàn)象不是熒光效應(yīng)。拉拉曼和他的學(xué)生們想了許多辦法研究這一現(xiàn)象。他們?cè)噲D把散射光拍成照片，曼和他的學(xué)生們想了許多辦法研究這一現(xiàn)象。他們?cè)噲D把散射光拍成照片，以便比以便比較，較，可惜沒有成功。可惜沒有成功。拉曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)拉曼效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)1924年拉曼到美國訪問，正值不久前年拉曼到美國訪問，正值不久前A.H.康普頓發(fā)現(xiàn)康普頓發(fā)現(xiàn)X射線散射射線散射后波長變長的效后波長變長的效應(yīng)，應(yīng)，而懷疑者正在挑起一場(chǎng)爭論。拉曼顯然從而懷疑者

45、正在挑起一場(chǎng)爭論。拉曼顯然從康普頓的發(fā)現(xiàn)得到了重要啟示，后來他把自己的發(fā)現(xiàn)看成是康普頓的發(fā)現(xiàn)得到了重要啟示，后來他把自己的發(fā)現(xiàn)看成是“康普頓效應(yīng)的光學(xué)對(duì)應(yīng)康普頓效應(yīng)的光學(xué)對(duì)應(yīng)”。他參照康普頓效應(yīng)中的命名。他參照康普頓效應(yīng)中的命名“變變線線”，把這種新輻射稱為：，把這種新輻射稱為：“變散射變散射”（modified scattering）。）。拉曼又進(jìn)一步改進(jìn)了濾光的方法，在藍(lán)紫濾光片前再加一道鈾拉曼又進(jìn)一步改進(jìn)了濾光的方法，在藍(lán)紫濾光片前再加一道鈾玻璃，使入射的太陽光只能通過更窄的波段，再用目玻璃，使入射的太陽光只能通過更窄的波段，再用目測(cè)分測(cè)分光鏡光鏡觀察散射光，竟發(fā)現(xiàn)展現(xiàn)的光譜在變散射和不變的入射光之間，觀察散射光，竟發(fā)現(xiàn)展現(xiàn)的光譜在變散射和不變的入射光之間，隔有一道暗區(qū)隔有一道暗區(qū)。就。就在在1928年年2月月28日下午，拉曼決定采日下午，拉曼決定采用單用單色色光作光源，做了一個(gè)非