[科普中国]-激光光谱学

激光光谱学是对在激光器发明之后，使用激光作为光源来进行的原子、分子的发射光谱、吸收光谱以及非线性效应所做研究的通称。

概念说明常规光谱学中，光谱线的宽度较宽，光源的强度较弱，限制了光谱学的深入发展。自激光器成为光谱学的研究工具以来，情况发生了突变。由于激光所具有的高亮度、单色性（相干性）、可调谐（频率或波长可变）和实现超短脉冲运行的特点，使谱线的相对宽度减少了许多数量级，而激光的强度则是任何寻常光源无可比拟的。光谱学的面貌发生了深刻的变化。此外，激光脉冲的持续时间可以短到几十飞秒（10－15秒）。于是，激光同原子和分子之间的相互作用显示出了前所未有的性质，即非线性和相干性。这就赋予了光谱学以各种新面貌，而形成了激光光谱学。激光光谱学具有极高的光谱分辨率及极高的探测灵敏度，能以皮秒（10－12秒）及亚皮秒的时间尺度来研究分子和凝聚体，并能以新的方式来研究光化学及光物理的问题。这种发展不仅对自然界最深入的过程直接提供了启迪，并且也为多种科学技术的应用开拓了广阔道路。1

特点激光光谱学具有以下特点：

极高的光谱分辨率。激光器可以实现稳频和窄线宽，频率稳定度可达到10－15以上，线宽在赫兹量级。它可作为时间、频率标准和长度标准，也可实现消除多普勒效应的光谱学，达到极高的光谱分辨率。利用高分辨率激光光谱方法研究原子和分子体系，可非常精确的研究和测定原子和分子的光谱数据、相互作用及相关的物理常数。

极高的探测灵敏度。激光的高亮度和可使其波长调至被检测物质的吸收峰处，从而极大地提高了探测灵敏度。相应地发展了光声光谱、光热光谱（含光热偏转光谱）、光电流光谱和电离光谱等高灵敏度光谱技术和方法，甚至可对某些单个原子和分子进行探测。

极高的时间分辨率。激光器输出脉冲宽度已达到几个飞秒，使用飞秒激光脉冲的“泵浦–探测”技术，可研究物理、化学和生命过程中所发生的超快过程，它以飞秒量级的时间分辨率可将超快过程中各阶段的发展状况展示出来。

相干和非线性。由于激光的高亮度，在和物质相互作用的过程中，激光表现出了很强的非线性效应，形成了非线性光谱学和多光子光谱学（见非线性光学）。1

应用运用激光光谱学方法可以深入研究物质的结构、能谱、瞬态变化和它们的微观动力学过程（包括弛豫规律） ，由此来获得用经典方法无法得到的信息。

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。

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。

在光与共振跃迁的相互作用中，还可以利用激光观察到有趣的相干瞬变现象。这类效应包括自由诱导衰变、光回声和自感生透明性等，与在微波区研究核磁共振效应时所观察到的现象有时很相似，不仅可用来测量相弛豫过程，还有助于了解光与物质作用时的复杂性。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所