本書分兩卷, 全面地介紹了激光光譜學的基本原理和實驗技術(shù), 詳盡描述了激光光譜學當前研究的全貌。第1卷介紹了激光光譜學的基本原理。第2卷具體介紹激光光譜學的實驗技術(shù)、最新進展以及多種應用范例。
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本書是W.Demtr?der教授撰寫的激光光譜學方面的教科書，分兩卷，全面地介紹了激光光譜學的基本原理和實驗技術(shù)，詳盡描述了激光光譜學當前研究的全貌。
本書自30年前第一版付梓以來，備受歡迎，作者也根據(jù)激光光譜學領(lǐng)域的新發(fā)展而多次修改、增訂，現(xiàn)在已經(jīng)是第四版（2008年出版），是激光光譜學方面最權(quán)威的教科書。
第一卷介紹了激光光譜學的基本原理。在簡短的導論(第1章)之后，概述了光吸收和光發(fā)射(第2章)以及譜線的寬度和形狀(第3章)中所涉及的基本概念，然后詳細介紹了各種類型的光譜儀器(第4章)和激光器(第5章)，從理論和實驗兩個方面為深入理解激光光譜學奠定了堅實的基礎(chǔ)。
作者多年從事激光光譜學的研究工作，對學科前沿動態(tài)了如指掌。本書的文筆簡練、敘述翔實，更配有大量插圖（約900幅）和實例，是一本難得一見的好書，甚至可以稱之為激光光譜學領(lǐng)域中唯一的教科書。
德國凱澤斯勞滕大學教授，著名激光光譜學專家。創(chuàng)建了高分辨率激光光譜技術(shù)及其在原子分子理學中的應用這一研究領(lǐng)域。1995年獲得由德國物理學會和物理研究所頒發(fā)的馬克思-玻恩獎。2000年獲得洪堡基金會頒發(fā)的海森堡獎。
姬揚，男，1971年4月出生，理學博士，研究員。
1998年于中國科科學院半導體研究所獲得理學博士學位，主要研究半導體量子阱中電子子帶間弛豫過程。
1998年至2002年在以色列魏茲曼研究所作為博士后研究人員，研究固體中電子自旋對電子輸運過程的影響以及電子的波動和粒子特性。
2002年，得到中國科學院“百人計劃”的資助，開始在中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室工作，從事半導體低維結(jié)構(gòu)中電子的自旋相干過程的研究。
2004年獲得國家杰出青年基金的資助。作為骨干研究人員，獲得了國家創(chuàng)新群體項目（2006年）和海外創(chuàng)新團隊項目（2007年）的資助。并作為項目負責人或主要研究人員參與
目錄
譯者的話
第四版序言
第三版序言
第二版序言
第一版序言
第1章 導論 1
第2章 光的吸收和發(fā)射 4
2.1腔模 4
2.2熱輻射和普朗克定律 7
2.3吸收、受激輻射和自發(fā)輻射 10
2.4基本光度學量 13
2.4.1定義 13
2.4.2大面積上的照明 15
2.5光的偏振 17
2.6吸收譜和發(fā)射譜 19
2.7躍遷幾率 22
2.7.1自發(fā)輻射躍遷和無輻射躍遷的壽命 23
2.7.2半經(jīng)典描述：基本方程 25
2.7.3弱場近似 27
2.7.4寬帶激發(fā)下的躍遷幾率 29
2.7.5唯象地考慮衰減現(xiàn)象 31
2.7.6與強場的相互作用 32
2.7.7躍遷幾率、吸收系數(shù)和譜線強度之間的關(guān)系 36
2.8輻射場的相干性質(zhì) 37
2.8.1時間相干性 38
2.8.2空間相干性 39
2.8.3相干體積 40
2.8.4相干函數(shù)和相干度 42
2.9原子系統(tǒng)的相干性 46
2.9.1密度矩陣 47
2.9.2相干激發(fā) 48
2.9.3相干激發(fā)系統(tǒng)的弛豫 50
2.10習題 51
第3章 譜線的寬度和形狀 53
3.1自然線寬 54
3.1.1發(fā)射譜的洛倫茲線形 54
3.1.2線寬與壽命之間的關(guān)系 56
3.1.3吸收躍遷的自然線寬 58
3.2多普勒寬度 61
3.3譜線的碰撞展寬 65
3.3.1唯象描述 66
3.3.2相互作用勢與譜線展寬和位移的關(guān)系 71
3.3.3碰撞引起的譜線變窄 74
3.4渡越時間展寬 74
3.5譜線的均勻展寬和非均勻展寬 77
3.6飽和展寬和功率展寬 78
3.6.1光學泵浦引起的能級粒子數(shù)飽和 79
3.6.2均勻展寬譜線的飽和展寬 80
3.6.3功率展寬 82
3.7液體和固體中的譜線形狀 83
3.8習題 85
第4章 光譜儀器 87
4.1光譜儀和單色儀 87
4.1.1基本性質(zhì) 89
4.1.2棱鏡光譜儀 97
4.1.3光柵光譜儀 100
4.2干涉儀 107
4.2.1基本概念 108
4.2.2邁克耳孫干涉儀 109
4.2.3傅里葉光譜 112
4.2.4馬赫曾德爾干涉儀 113
4.2.5薩格納克干涉儀 116
4.2.6多光束干涉 117
4.2.7平面法布里珀羅干涉儀 124
4.2.8共焦型法布里珀羅干涉儀 131
4.2.9多層介質(zhì)膜 136
4.2.10干涉濾光片 140
4.2.11雙折射干涉儀 142
4.2.12可調(diào)諧的干涉儀 146
4.3光譜儀和干涉儀的比較 147
4.3.1譜分辨本領(lǐng) 147
4.3.2采光本領(lǐng) 149
4.4波長的精確測量 150
4.4.1波長測量的精密度與準確度 151
4.4.2當代的波長計 153
4.5光的探測 162
4.5.1熱探測器 164
4.5.2光電二極管 170
4.5.3光電二極管陣列 180
4.5.4電荷耦合器件 181
4.5.5光電發(fā)射探測器 183
4.5.6探測技術(shù)和電子儀器 193
4.6結(jié)論 199
4.7刁題 199
第5章 激光：光譜測量中的光源 201
5.1激光的基本知識 201
5 .1.1激光器的基本元件 201
5.1.2閾值條件 202
5.1.3速率方程 204
5.2激光共振腔 206
5.2.1開放式光學共振腔 207
5.2.2開放式共振腔中的場分布 210
5.2.3共焦式共振腔 212
5.2.4-般性的球型共振腔 215
5.2.5開放式共振腔的衍射損耗 216
5.2.6穩(wěn)定共振腔和非穩(wěn)定共振腔 217
5.2.7環(huán)形共振腔 222
5.2.8被動式共振腔的頻譜 224
5.3激光發(fā)射譜的特性 226
5.3.1主動式共振腔和激光模式 227
5.3.2增益飽和 229
5.3.3空間燒孔 231
5.3.4多模激光和增益競爭 232
5.3.5模式拖曳 235
5.4單模激光的實現(xiàn) 237
5.4.1選擇譜線 237
5.4.2橫向模式的抑制 240
5.4.3單縱模的選擇 242
5.4.4光強的穩(wěn)定 248
5.4.5波長的穩(wěn)定 251
5.5蓽模激光器的波長可控調(diào)諧 261
5.5.1連續(xù)可調(diào)諧技術(shù) 261
5.5.2波長的校準 265
5.5.3頻率偏移的鎖定 267
5.6單模激光的線寬 267
5.7可調(diào)諧激光器 270
5.7.1基本概念 270
5.7.2半導體二極管激光器 271
5.7.3可調(diào)諧固體激光器 277
5.7.4色心激光器 280
5.7.5染料激光器 284
5.7.6準分子激光器 299
5.7.7自由電子激光器 301
5.8非線性光學混頻技術(shù) 304
5.8.1物理背景 304
5.8.2相位匹配 308
5.8.3二次諧波生成 311
5.8.4準相位匹配 316
5.8.5和頻與高階諧波的產(chǎn)生 317
5.8.6 X射線激光器 323
5.8.7差頻譜儀 325
5.8.8光學參量振蕩器 328
5.8.9可調(diào)諧的拉曼激光器 332
5.9高斯光束 335
5.10習題 341
習題解答 343
參考文獻 361
第1 章導論
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研究，因此，光譜學為原子和分子物理學、化學以及分子生物學做出了卓越的貢獻。電磁波與物質(zhì)相互作用時產(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。譜線強度正比于躍遷幾率，它量度了分子躍遷的兩個能級之間的耦合強度。因為躍遷幾率依賴于兩個能級上的波函數(shù)，強度測量可以證實被激發(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。從譜線的壓強展寬和壓強移動中，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)型非常復雜。譜線的超精細結(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。時間分辨測量可以跟隨基態(tài)和激發(fā)態(tài)分子的動力學過程，研究碰撞過程和各種能量傳遞機制的細節(jié)。單原子與輻射場的激光光譜學研究可以嚴格地檢驗量子電動力學，而高精度的頻率標準可以檢驗基本的物理常數(shù)是否會隨著時間而發(fā)生微小的變化。
在光譜學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質(zhì)上依賴于光譜能夠達到的譜精度、時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，以及光學多通道分析儀、CCD相機和圖像增強器等)在光學儀器中的應用顯著地提高了探測的靈敏度。引入新型的光譜學技術(shù)，例如傅里葉光譜學、光學泵浦、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，也帶來了巨大的進展。
雖然這些新技術(shù)帶來了累累碩果，但是整個光譜學領(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)光譜學的基本限制。許多不能用非相干光源做的實驗，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卷介紹激光光譜學的物理基礎(chǔ)和光譜實驗室中最重要的實驗設(shè)備。首先討論經(jīng)典光譜學的基本定義和概念，例如熱輻射、受激輻射和自發(fā)輻射、輻射功率和強度、躍遷幾率以及原子與弱電磁場和強電磁場的相互作用。因為激光的相干性質(zhì)對于幾種光譜學技術(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)典光譜學中光譜精度的理論極限，第3章討論了譜線展寬的不同機制，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的數(shù)量級。
第4章的內(nèi)容對于激光光譜學實驗是非常必要的，它討論了光譜學儀器及其在波長測量和強度測量中的應用。光譜儀和單色儀曾經(jīng)在經(jīng)典光譜學中扮演過重要的角色，雖然現(xiàn)在已經(jīng)被許多激光光譜學實驗拋棄了，但是，在許多應用中，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現(xiàn)單模運行方式，還在許多精細的波長測量中被用于測量譜線的線型。因為確定波長是光譜學的一個中心問題，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。
強度不足是許多光譜學研究中的主要限制之一。因此，選擇適當?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的主題(它們是一般光譜學的概念)，第5章處理的是激光光譜學的基本工具：不同種類的激光器及其設(shè)計。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、光學共振腔和激光模式。這里只討論那些對于激光光譜學非常重要的激光特性。至于更為詳細的討論，請讀者參考第5章中引用的文獻，它們更為詳盡地討論了激光的性質(zhì)和實驗技術(shù)，它們使得激光成為非常有吸引力的光譜學光源。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，描述了單模可調(diào)諧激光的實現(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)點和不足。光學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有關(guān)的這一非線性光學領(lǐng)域。
第2卷講述了激光在光譜學研究中的各種應用，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儀器。首先講述了激光光譜學的不同技術(shù)，然后介紹了近期進展以及激光光譜學在科學、技術(shù)、醫(yī)藥和環(huán)境研究中的各種應用。
本書旨在介紹光譜學的基本方法和儀器，重點在于激光光譜學。每章的例子都是為了說明正文并介紹其他一些可能的應用。它們主要與自由原子和分子的光譜學有關(guān)，而且，出于教學的目的，主要選自于文獻或我們實驗室的工作，并不代表發(fā)表日期的先后，當然，并非總是如此。關(guān)于激光光譜學這一廣闊領(lǐng)域中更為詳盡的成果匯集，讀者可以參考激光光譜學的各種會議的會議文集[1.1]～[1.10]、關(guān)于激光光譜學的教科書或文集[1.11]～[1.31]。因為激光光譜學的發(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[1.32]和[1.33]中可以找到這樣的個人回顧。本書尾部的參考文獻清單可能有助于尋找某一特殊實驗的更多細節(jié)，或者深化每章中的理論或?qū)嶒�。一本非常有用的“光譜學百科全書”[1.34,1.35]詳細地討論了激光光譜學的不同方面。
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