雷射光譜學

雷射光譜學是對在雷射器發明之後，使用雷射作為光源來進行的原子、分子的發射光譜、吸收光譜以及非線性效應所做研究的通稱。

基本介紹

• 中文名：雷射光譜學
• 外文名：laser spectroscopy
• 學科：光譜學分支
• 科技：新的光譜技術
• 特徵：成為與物理學等密切相關的新領域

概念說明

常規光譜學中，光譜線的寬度較寬，光源的強度較弱，限制了光譜學的深入發展。自雷射器成為光譜學的研究工具以來，情況發生了突變。由於雷射所具有的高亮度、單色性（相干性）、可調諧（頻率或波長可變）和實現超短脈衝運行的特點，使譜線的相對寬度減少了許多數量級，而雷射的強度則是任何尋常光源無可比擬的。光譜學的面貌發生了深刻的變化。此外，雷射脈衝的持續時間可以短到幾十飛秒（10^－15秒）。於是，雷射同原子和分子之間的相互作用顯示出了前所未有的性質，即非線性和相干性。這就賦予了光譜學以各種新面貌，而形成了雷射光譜學。雷射光譜學具有極高的光譜解析度及極高的探測靈敏度，能以皮秒（10^－12秒）及亞皮秒的時間尺度來研究分子和凝聚體，並能以新的方式來研究光化學及光物理的問題。這種發展不僅對自然界最深入的過程直接提供了啟迪，並且也為多種科學技術的套用開拓了廣闊道路。

特點

雷射光譜學具有以下特點：

1. 極高的光譜解析度。雷射器可以實現穩頻和窄線寬，頻率穩定度可達到10^－15以上，線寬在赫茲量級。它可作為時間、頻率標準和長度標準，也可實現消除都卜勒效應的光譜學，達到極高的光譜解析度。利用高解析度雷射光譜方法研究原子和分子體系，可非常精確的研究和測定原子和分子的光譜數據、相互作用及相關的物理常數。
   
2. 極高的探測靈敏度。雷射的高亮度和可使其波長調至被檢測物質的吸收峰處，從而極大地提高了探測靈敏度。相應地發展了光聲光譜、光熱光譜（含光熱偏轉光譜）、光電流光譜和電離光譜等高靈敏度光譜技術和方法，甚至可對某些單個原子和分子進行探測。
   
3. 極高的時間解析度。雷射器輸出脈衝寬度已達到幾個飛秒，使用飛秒雷射脈衝的“泵浦–探測”技術，可研究物理、化學和生命過程中所發生的超快過程，它以飛秒量級的時間解析度可將超快過程中各階段的發展狀況展示出來。
   
4. 相干和非線性。由於雷射的高亮度，在和物質相互作用的過程中，雷射表現出了很強的非線性效應，形成了非線性光譜學和多光子光譜學（見非線性光學）。
   

套用

運用雷射光譜學方法可以深入研究物質的結構、能譜、瞬態變化和它們的微觀動力學過程（包括弛豫規律） ，由此來獲得用經典方法無法得到的信息。

雷射對高分辨光譜的發展有很大的作用，是研究原子、分子和離子結構的有力工具，可以用來研究譜線的精細和超精細分裂、塞曼和斯塔克分裂、光位移、碰撞加寬、碰撞位移等效應。此外，雷射使譜線波長的測量達到前所未有的精度。當雷射波長由某個原子或分子的躍遷鎖定之後，可以提供精確的長度或頻率的基準。這類雷射器已成為精密測量學的重要工具，還可用來精確地測定基本物理常數並對基本物理定律進行嚴格的驗證。

能輸出脈衝持續時間短至納秒或皮秒的高強度脈衝雷射器，是研究光與物質相互作用時瞬態過程的有力工具，在測定激發態壽命和研究氣、液、固相中原子、分子和離子的弛豫過程方面有極高的時間分辨能力。

在光與共振躍遷的相互作用中，還可以利用雷射觀察到有趣的相干瞬變現象。這類效應包括自由誘導衰變、光回聲和自感生透明性等，與在微波區研究核磁共振效應時所觀察到的現象有時很相似，不僅可用來測量相弛豫過程，還有助於了解光與物質作用時的複雜性。