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本書分兩卷, 全面地介紹了激光光譜學(xué)的基本原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù), 詳盡描述了激光光譜學(xué)當(dāng)前研究的全貌。第1卷介紹了激光光譜學(xué)的基本原理。第2卷具體介紹激光光譜學(xué)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、最新進(jìn)展以及多種應(yīng)用范例。

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第1 章導(dǎo)論
關(guān)于原子和分子結(jié)構(gòu)的大部分知識都來自于光譜學(xué)研究，因此，光譜學(xué)為原子和分子物理學(xué)、化學(xué)以及分子生物學(xué)做出了卓越的貢獻(xiàn)。電磁波與物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的吸收譜或發(fā)射譜，可以用多種方式給出關(guān)于分子結(jié)構(gòu)和分子與周圍環(huán)境相互作用的信息。
測量譜線的波長，可以確定原子或分子系統(tǒng)的能級。譜線強(qiáng)度正比于躍遷幾率，它量度了分子躍遷的兩個(gè)能級之間的耦合強(qiáng)度。因?yàn)檐S遷幾率依賴于兩個(gè)能級上的波函數(shù)，強(qiáng)度測量可以證實(shí)被激發(fā)電子的空間電荷分布，而這只能從薛定諤方程的近似解中粗略地計(jì)算出來。利用特殊的技術(shù)，可以分辨出譜線的自然線寬，從而確定分子激發(fā)態(tài)的平均壽命。測量多普勒寬度可以給出發(fā)射或吸收光子的分子的速度分布，從而得到樣品的溫度。從譜線的壓強(qiáng)展寬和壓強(qiáng)移動中，可以得到關(guān)于碰撞過程和原子間勢場的信息。外磁場或外電場引起的塞曼劈裂和斯塔克劈裂是測量磁矩或電偶極矩的重要方法，它們反映了原子或分子中不同角動量之間的耦合，即使電子構(gòu)型非常復(fù)雜。譜線的超精細(xì)結(jié)構(gòu)給出了關(guān)于原子核與電子云之間相互作用的信息，從而可以確定原子核的磁偶極矩、電四極矩甚至更高階的矩，例如八極矩。時(shí)間分辨測量可以跟隨基態(tài)和激發(fā)態(tài)分子的動力學(xué)過程，研究碰撞過程和各種能量傳遞機(jī)制的細(xì)節(jié)。單原子與輻射場的激光光譜學(xué)研究可以嚴(yán)格地檢驗(yàn)量子電動力學(xué)，而高精度的頻率標(biāo)準(zhǔn)可以檢驗(yàn)基本的物理常數(shù)是否會隨著時(shí)間而發(fā)生微小的變化。
在光譜學(xué)為研究原子和分子微觀世界所提供的多種多樣的可能性中，這些例子只是很小的一部分而已。然而，從光譜中提取的信息量在實(shí)質(zhì)上依賴于光譜能夠達(dá)到的譜精度、時(shí)間精度以及探測靈敏度。
新技術(shù)(例如光譜儀中越來越大、越來越好的光柵，干涉儀使用的高反射率介電涂層，以及光學(xué)多通道分析儀、CCD相機(jī)和圖像增強(qiáng)器等)在光學(xué)儀器中的應(yīng)用顯著地提高了探測的靈敏度。引入新型的光譜學(xué)技術(shù)，例如傅里葉光譜學(xué)、光學(xué)泵浦、能級交叉技術(shù)以及各種各樣的雙共振方法和分子束光譜學(xué)，也帶來了巨大的進(jìn)展。
雖然這些新技術(shù)帶來了累累碩果，但是整個(gè)光譜學(xué)領(lǐng)域的真正推動力來自于激光器。在許多情況下，這些新光源可以將譜精度和靈敏度提高好幾個(gè)數(shù)量級。與新的光譜技術(shù)結(jié)合起來，激光可以超越傳統(tǒng)光譜學(xué)的基本限制。許多不能用非相干光源做的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在可以做了，甚至已經(jīng)成功了。本書分為兩卷，討論了這些激光光譜學(xué)的新技術(shù)，并介紹了必要的設(shè)備。
第1卷介紹激光光譜學(xué)的物理基礎(chǔ)和光譜實(shí)驗(yàn)室中最重要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。首先討論經(jīng)典光譜學(xué)的基本定義和概念，例如熱輻射、受激輻射和自發(fā)輻射、輻射功率和強(qiáng)度、躍遷幾率以及原子與弱電磁場和強(qiáng)電磁場的相互作用。因?yàn)榧す獾南喔尚再|(zhì)對于幾種光譜學(xué)技術(shù)都非常重要，所以，我們概述了相干輻射場的基本定義，并簡要地描述了相干激發(fā)的原子能級。
為了理解經(jīng)典光譜學(xué)中光譜精度的理論極限，第3章討論了譜線展寬的不同機(jī)制，以及可以從線型測量中得到的信息。在每節(jié)的后面，用數(shù)值例子給出了不同效應(yīng)的數(shù)量級。
第4章的內(nèi)容對于激光光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)是非常必要的，它討論了光譜學(xué)儀器及其在波長測量和強(qiáng)度測量中的應(yīng)用。光譜儀和單色儀曾經(jīng)在經(jīng)典光譜學(xué)中扮演過重要的角色，雖然現(xiàn)在已經(jīng)被許多激光光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)拋棄了，但是，在許多應(yīng)用中，這些儀器仍然不可或缺。不同種類的干涉儀非常重要，它們不僅在激光共振腔中用來實(shí)現(xiàn)單模運(yùn)行方式，還在許多精細(xì)的波長測量中被用于測量譜線的線型。因?yàn)榇_定波長是光譜學(xué)的一個(gè)中心問題，所以我們用整整一節(jié)來討論精密波長測量的一些現(xiàn)代技術(shù)以及它們的精度。
強(qiáng)度不足是許多光譜學(xué)研究中的主要限制之一。因此，選擇適當(dāng)?shù)墓馓綔y器非常重要。第4.5節(jié)討論了幾種光探測器和靈敏技術(shù)，例如光子計(jì)數(shù)，它的使用現(xiàn)在已經(jīng)更加廣泛。此外第2章到第4章講述了一些不屬于激光光譜學(xué)的主題(它們是一般光譜學(xué)的概念)，第5章處理的是激光光譜學(xué)的基本工具：不同種類的激光器及其設(shè)計(jì)。它討論了激光作為光譜輻射源的基本性質(zhì)，簡述了激光的基礎(chǔ)知識，例如閾值條件、光學(xué)共振腔和激光模式。這里只討論那些對于激光光譜學(xué)非常重要的激光特性。至于更為詳細(xì)的討論，請讀者參考第5章中引用的文獻(xiàn)，它們更為詳盡地討論了激光的性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，它們使得激光成為非常有吸引力的光譜學(xué)光源。例如，討論了波長穩(wěn)定和連續(xù)調(diào)節(jié)波長的重要問題，描述了單�？烧{(diào)諧激光的實(shí)現(xiàn)以及激光線寬的限制等。本章的激光部分匯集了不同光譜范圍內(nèi)的不同種類的可調(diào)諧激光器，討論了它們的優(yōu)點(diǎn)和不足。光學(xué)倍頻和混頻過程可以極大地拓展可利用的光譜范圍。第5章也討論了與光譜學(xué)有關(guān)的這一非線性光學(xué)領(lǐng)域。
第2卷講述了激光在光譜學(xué)研究中的各種應(yīng)用，討論了最近發(fā)展的不同方法。這些論述依賴于第1卷中講述的一般性原理和光譜學(xué)儀器。首先講述了激光光譜學(xué)的不同技術(shù)，然后介紹了近期進(jìn)展以及激光光譜學(xué)在科學(xué)、技術(shù)、醫(yī)藥和環(huán)境研究中的各種應(yīng)用。
本書旨在介紹光譜學(xué)的基本方法和儀器，重點(diǎn)在于激光光譜學(xué)。每章的例子都是為了說明正文并介紹其他一些可能的應(yīng)用。它們主要與自由原子和分子的光譜學(xué)有關(guān)，而且，出于教學(xué)的目的，主要選自于文獻(xiàn)或我們實(shí)驗(yàn)室的工作，并不代表發(fā)表日期的先后，當(dāng)然，并非總是如此。關(guān)于激光光譜學(xué)這一廣闊領(lǐng)域中更為詳盡的成果匯集，讀者可以參考激光光譜學(xué)的各種會議的會議文集[1.1]～[1.10]、關(guān)于激光光譜學(xué)的教科書或文集[1.11]～[1.31]。因?yàn)榧す夤庾V學(xué)的發(fā)展主要由一些先驅(qū)者推動，回顧一下歷史發(fā)展和歷史人物是非常有趣的。在文獻(xiàn)[1.32]和[1.33]中可以找到這樣的個(gè)人回顧。本書尾部的參考文獻(xiàn)清單可能有助于尋找某一特殊實(shí)驗(yàn)的更多細(xì)節(jié)，或者深化每章中的理論或?qū)嶒?yàn)。一本非常有用的“光譜學(xué)百科全書”[1.34,1.35]詳細(xì)地討論了激光光譜學(xué)的不同方面。

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