浅谈激光光谱学研究

　　【摘要】在过去的几十年里，随着超强超短脉冲激光技术的发展及高功率同步辐射光源和自由电子X射线激光器的产生，非线性光学及X射线光谱学取得了突飞猛进的发展，其应用领域和范围也得到了进一步拓展。与此同时，许多处理光与物质相互作用的理论近似方法如旋波近似、慢变幅近似等已经失效，各种新奇非线性光学现象的产生需要人们采用更加严格的理论模型和方法来进行处理和解释。

　　【关键词】双光子吸收；光限幅效应；共振非弹性X射线拉曼散射；非旋波近似

　　1.激光光谱的原理及分类

　　激光光谱是指以激光为光源的光谱技术。与普通光源相比，激光光源具有单色性好、亮度高、方向性强和相干性强等特点，是用来研究光与物质的相互作用，从而辨认物质及其所在体系的结构、组成、状态及其变化的理想光源。激光的出现使原有的光谱技术在灵敏度和分辨率方面得到很大的改善。由于已能获得强度极高、脉冲宽度极窄的激光，对多光子过程、非线性光化学过程以及分子被激发后的弛豫过程的观察成为可能，并分别发展成为新的光谱技术。激光光谱学已成为与物理学、化学、生物学及材料科学等密切相关的研究领域。

　　可调（谐）激光光源可调谐激光器，又称波长可变激光器或调频激光器。它所发出的激光波长可连续改变，是理想的光谱研究用光源。根据其作用原理的不同，可调激光器可分为两大类。

　　吸收光谱激光用于吸收光谱，可取代普通光源，省去单色器或摄谱装置。激光强度高，足以抑制检测器件的噪声干扰。激光的准直性有利于采用往复式光路设计，以增加光束通过样品池的次数。所有这些特点均有利于提高检测灵敏度。除去直接测量经过样品池后光的衰减外，由于激光强度高，还可以利用光与基质作用时伴随的热效应或电离效应进行测量，如光声光谱学等。利用激光诱导荧光和激光光致电离等技术与分子束光谱技术配合，已能有选择地检测出单个原子的存在。

　　荧光光谱高强度激光是一种使吸收物种中相当数量的分子提升到激发量子态的有效手段。因此激光可以大大提高荧光光谱、光泵、能级交叉光谱或双共振光谱等经典光谱技术的灵敏度，并使这些技术可在强光谱光源所不具有的波长范围内研究原子和分子的跃迁。利用激光还可逐级激发，达到高激发态，包括原子的自电离态和高里德伯态。

　　曼光谱，激光使曼光谱学获得了新生，因为激光的高强度极大地提高了这种形式的双光子光谱的灵敏度。可调谐激光器提高了曼光谱的灵敏度、分辨率和实用性。为了进一步提高曼光的强度，最近又研究出两种新技术，即共振曼光谱法和相干反斯托克斯曼光谱法(CARS)。

　　共振曼光谱以共振曼效应为基础，使激发光的频率落在样品的电子吸收谱带内或附近，可产生较强的共振曼线。也可以用另一支可调谐取样激光器使之产生受激曼散射而进行观测。

　　高分辨激光光谱激光对高分辨光谱的发展有很大的作用，是研究原子、分子和离子结构的有力工具，可以用来研究谱线的精细和超精细分裂、塞曼和斯塔克分裂、光位移、碰撞加宽、碰撞位移等效应。此外，激光使谱线波长的测量达到前所未有的精度。当激光波长由某个原子或分子的跃迁锁定之后，可以提供精确的长度或频率的基准。这类激光器已成为精密测量学的重要工具，还可用来精确地测定基本物理常数并对基本物理定律进行严格的验证。

　　时间分辨激光光谱能输出脉冲持续时间短至纳秒或皮秒的高强度脉冲激光器，是研究光与物质相互作用时瞬态过程的有力工具，在测定激发态寿命和研究气、液、固相中原子、分子和离子的弛豫过程方面有极高的时间分辨能力。

　　脉冲激光可用来使原子或分子激发到高位的邻近能级上去，干涉效应将导致对随之而来的自发辐射的调制。这类量子频差可提供有关能级的精细结构的信息。

　　2.激光光谱技术的典型优点

　　激光技术的产生对在光谱技术研究上带来了很大的方便，激光的单色性使分光器件分辨率提高，激光的高强度提高了探测的灵敏度；产生非线性光谱效应，激光的高度方向性可对微区或定点的光谱分析成为可能。

　　激光光谱技术的三大典型优点：高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率。

　　尽管传统的光谱学在物质研究中获得了多方面的应用，但在激光问世之前，它的进一步发展已经面临着不可逾越的鸿沟。首先传统光谱学使用普通光源，探测分辨率低，而增强其单色性，又不得不以降低光强为代价，这样又会影响到探测的灵敏度，此外，在弱光辐射下光谱中的许多非线性效应表现不出来，因此包含物质结构深层次的信息被阻断。60年代高强度、高单色性激光的出现给光谱学这门学科注入了新的活力，在其后发展的激光光谱学中，激光光源的优越性被发挥的淋漓尽致。比如激光的单色性使分光器件分辨率提高，高强度提高了探测的灵敏度，而且强光与物质粒子的相互作用中，产生了各种可观测的非线性光谱效应；此外激光的高度方向性又使对微区或定点的光谱分析成为可能。在激光光谱学中，作为光谱分析手段的激光光谱技术由于其高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率也倍受重视，在许多科学技术领域有着非常广泛的应用前景！

　　3.激光光谱技术的应用

　　把激光光谱技术与光化学结合，工艺技术简单、设备小、效率高、成本低。激光遥感技术―应用于大气和海洋环境监测，运用激光光谱技术确定大气成分、浓度及空间分布。医学―医学研究和临床上治疗各种疾病，光敏疗法利用激光光谱技术进行诊断和治疗癌症，光化学方法应用激光光谱技术治疗皮肤病。在化学方面，激光光谱技术与光化学结合进行同位素分离，工艺简单、设备小、效率高、成本低。方法是基于气相状态时去选择性激发所要得到的原子或分子同位素。例如作为核能原料的铀235和同位素铀238在分离的原理及技术上都已经十分成熟。

　　在环境科学方面，广泛应用于大气和海洋环境监测的激光遥感技术是运用激光光谱技术来确定大气成分、浓度及空间分布等，对人类是十分有意义的！

　　生物学方面，用激光光谱技术可以研究生物分子和细胞等；例如激光微束仪又称为激光显微镜，是激光器与显微镜相结合的一种光学仪器，可以研究各种DNA分子结构等等；喇曼光谱是研究分子振动的有力工具，所以激光喇曼光谱可以研究生物分子的结构和动力学等信息。

　　4.激光光谱学的发展

　　激光光谱学是自激光技术出现以来在传统光谱学基础上发展起来的一门新兴学科。传统光谱学已有300多年的历史。1666年伟大的科学家牛顿用棱镜发现了光的色散现象，由此开始了光谱学的发展，不过在起初的一百多年内，其发展极为缓慢，直到1814年著名的物理学家夫琅和费用他发明的棱镜光谱仪观察到太阳谱线开始，才逐渐进入光谱学发展的盛期，除了对吸收与发射光谱的研究外，还相应发展了对散射光谱的研究，特别是喇曼散射的发现，即在光发生散射时，除了原有频率之外，散射光中还有一些其它频率的光出现，通过喇曼散射可以研究物质的结构与组成等！其实光谱学作为一门实用性学科是由物理学家和化学家共同开创起来的。到20世纪初，传统光谱学已经十分成熟并在冶金、电子、化工、医药、食品等工业部门都成为相当重要的分析手段。本文来自《光谱学与光谱分析》杂志