高分辨光譜學是研究消除譜線都卜勒增寬的光譜學分支。這裡只涉及非線性領域。提高光譜學的解析度一直是光譜學家努力解決的課題之一。
基本介紹
- 中文名：高分辨光譜學
- 外文名：High resolution spectroscopy
- 拼音：gaofenbianguanpuxue
- 類型：物理學
正文,飽和光譜學,偏振光譜學,雙光子光譜學,
正文
早期原子光譜的研究工作受到光譜儀的分辨本領的限制，使用了邁克耳孫干涉儀及法布里－珀羅干涉儀等靈敏儀器後，便有效地提高了測量光波波長的精密度。但是，對於很靠近的光譜線仍是分辨不開的，例如氫原子光譜中的巴耳末線的成分。這並不是因為干涉儀的性能不夠完善,而是因為譜線不夠細銳。譜線的寬度掩蓋了它的細緻結構。譜線增寬的一部分原因是自然寬度的增加，即使在最佳的觀測條件下，光譜線也不是絕對單色的。其原因是原子的穩態並不是真正的穩態，原子被激發後，會在一定的時間內輻射能量，也就是說，處於激發態的原子總是要衰變的。激發態的這種有限壽命增大了譜線的自然寬度。
譜線的自然寬度給光譜學的分辨設定了一個限度。但是一直到雷射器在光譜研究中得到套用之前，幾乎無法達到這個限度，其原因是在氣體樣品中，譜線在更大的程度上為都卜勒效應所增寬，尋常的光譜學技術無法有效地消除譜線的都卜勒增寬，因而也就難於提高光譜學的解析度了。
自1970年以來，雷射光譜學技術得到了很快的發展，這種技術的成效之一是顯著地提高了光譜學的解析度，提高了幾個數量級。雷射光譜學方法能夠有效地消除譜線的都卜勒增寬。這些方法主要是飽和光譜學、偏振光譜學及雙光子光譜學。
飽和光譜學
依據雷射的兩種主要性質：窄的譜線寬度和高的強度。所使用的雷射器多是連續波調頻雷射器，特別是染料雷射器。在強雷射光束中，氣體原子吸收光子的速率超過了原子返回原始能級的速率，因而能夠使吸收給定頻率的光子的原子數目有所減少。這就是說，雷射光束在道路上“掃除了”吸收這種頻率的原子。當以相同頻率的另一光束沿著同一道路通過氣體樣品時，就會發現氣體原子對這種頻率的光的吸收減少了。實際上，利用這種效應進行高分辨光譜學的研究時，是把調頻雷射器的光束分裂成一個強的飽和光束和一個弱的測試光束。
所謂飽和光束，粗略地說，就是能夠激發大數目的原子，使原子的激發呈現飽和狀態。這兩條光束沿著相同的路程通過氣體原子樣品，但它們的傳播方向相反。當雷射器的輸出頻率進行掃描並且正好調到原子能級躍遷的頻率時，強的飽和光束便為一組特定的原子所吸收，這些原子在光束方向的速度分量為零。而在光束方向有速度分量的原子，由於都卜勒效應，便不會吸收飽和光束中的光子。飽和光束就使得選定的態上的原子數目減少，因而在測試光束通過原子樣品時，相應地經受到了小的吸收。這種吸收的頻率範圍由於沒有都卜勒效應而很窄。如果雷射光束的頻率稍稍偏離於原子躍遷的頻率，則兩個光束便分別地和不同的原子發生相互作用，而不是像光束的頻率恰好為原子躍遷頻率時，兩個光束和同一原子發生相互作用那樣。因此，飽和光束對於測試光束的吸收便不起任何作用。由此可見，飽和光譜技術給出的測試光束信號的寬度很窄，幾乎接近譜線的自然寬度。
偏振光譜學
消除都卜勒效應的另一種方法是偏振光譜學技術。這種技術的特點是，測量光的偏振的微小變化比測量強度的變化要容易得多，因而測量的靈敏度可以明顯地提高。如同在飽和光譜學中那樣，從雷射器出射的光束也分為兩束,其中一個比另一個要強得多,並且也是以相反方向通過所研究的樣品的。但是，在偏振光譜學中，弱的測試光束是線偏振的並且通過放在交叉偏振器之間的氣體樣品。如果測試光束在通過樣品時不改變它的偏振情況，是不會到達探測器的。但是飽和光束卻能引起這種改變。因為當它首先通過四分之一波片時，它就變為圓偏振光了。圓偏振光的電場方向是轉動的，或是順時針轉動或是逆時針轉動。原子吸收圓偏振光的幾率依賴於原子的角動量的取向。
初始原子的取向是無規的，但當某些原子的取向能夠吸收一種圓偏振光後,飽和光束便使得這些原子所處的原子能級變空了,而具有相反角動量取向的原子相對變多了。當線偏振的測試光束通過氣體的同一區域時，取向的原子便會改變測試光束的傳播。這個原因是容易理解的。線偏振光可以看作是強度相等的兩種圓偏振光的疊加，一種圓偏振光的電場沿著順時針方向轉動，另一種圓偏振光的電場沿著逆時針方向轉動。當測試光束通過氣體時，它碰到的原子會過多地吸收一種圓偏振的光，因為這些原子相對的數目是多的。其結果是一種圓偏振光的強度有所減弱，而另一種則相對地變強。因此，從氣體樣品中出來的測試光束不再是線偏振的，而變為橢圓偏振光了。這樣，測試光束就有了一個分量能夠通過交叉的偏振器。但是，所有這些情況的發生必須是飽和光束與測試光束作用於相同原子上，即無都卜勒移位的原子上。在這方面偏振光譜學同飽和光譜學是一樣的,事實上,偏振光譜學是從飽和光譜學中派生出來的。這種光譜學技術的最大特點是基本上沒有噪聲，利用這種技術可以得到更為精密的能級結構知識，例如，測量結果把里德伯常數值的精度提高了三倍，而使之成為最精確的已知基本常數。
雙光子光譜學
也是消除光譜線都卜勒增寬的一種好方法。這種技術於1974年首先見諸報導。在這種技術中,一束光由反射鏡沿著原路線反射回去,從而它們沿著相同的光軸向相反方向傳播, 疊加後成為駐波。氣體樣品便放置在駐波場中。如果把雷射光束的頻率調到所選定的原子躍遷頻率的一半時，在一定的條件下，同光束髮生相互作用的每一個原子會同時地從兩個相反方向傳播的光束中各吸收一個光子。
構想在駐波場中沿著光軸方向運動著的一個原子在吸收從相反方向來的兩個光子時，光子之一的都卜勒移位是朝著紫光方向的，也就是說具有較高的頻率，而另一個光子的都卜勒移位則是朝著紅光方向的，移位的大小同前一個光子的相等。所以，兩個被吸收的光子的總能量為常數，而不管原子的運動速度如何。因此，雙光子吸收便抵消了原子運動的都卜勒效應，原子吸收的光頻率之和恰好為原子躍遷頻率。如果雷射器的輸出頻率稍稍偏離於原子躍遷頻率的一半時，原子便不會吸收兩個相反方向的光子。因此，消除譜線都卜勒增寬的效果是不佳的。即只有當雷射頻率同原子躍遷頻率相匹配時，才能有效地消除都卜勒增寬。
在雙光子吸收光譜學中，所有同雷射光束髮生相互作用的原子都能對無都卜勒效應的信號作出貢獻，而不僅限於垂直光軸方向運動的原子，因此無都卜勒效應的信號是很強的。這同飽和光譜學和偏振光譜學不同。在這兩種光譜中，沒有都卜勒效應的原子是有選擇的，原子的運動要垂直於光軸;而在雙光子吸收光譜學中,凡是同光束髮生相互作用的原子都可消除其都卜勒效應。
高分辨光譜學技術廣泛地套用於原子和分子的能級結構的研究中。直到現在，所得到的資料都屬於驗證理論的預言。但是20世紀物理學中的一些重大變化許多是由於理論和觀測之間微小差別的發現而引起的，高分辨光譜學可能在這方面作出貢獻來。
