本书分两卷, 全面地介绍了激光光谱学的基本原理和实验技术, 详尽描述了激光光谱学当前研究的全貌。第1卷介绍了激光光谱学的基本原理。第2卷具体介绍激光光谱学的实验技术、最新进展以及多种应用范例。
更多科学出版社服务，请扫码获取。
本书是W.Demtr?der教授撰写的激光光谱学方面的教科书，分两卷，全面地介绍了激光光谱学的基本原理和实验技术，详尽描述了激光光谱学当前研究的全貌。
本书自30年前第一版付梓以来，备受欢迎，作者也根据激光光谱学领域的新发展而多次修改、增订，现在已经是第四版（2008年出版），是激光光谱学方面最权威的教科书。
第一卷介绍了激光光谱学的基本原理。在简短的导论(第1章)之后，概述了光吸收和光发射(第2章)以及谱线的宽度和形状(第3章)中所涉及的基本概念，然后详细介绍了各种类型的光谱仪器(第4章)和激光器(第5章)，从理论和实验两个方面为深入理解激光光谱学奠定了坚实的基础。
作者多年从事激光光谱学的研究工作，对学科前沿动态了如指掌。本书的文笔简练、叙述翔实，更配有大量插图（约900幅）和实例，是一本难得一见的好书，甚至可以称之为激光光谱学领域中唯一的教科书。
德国凯泽斯劳滕大学教授，著名激光光谱学专家。创建了高分辨率激光光谱技术及其在原子分子理学中的应用这一研究领域。1995年获得由德国物理学会和物理研究所颁发的马克思-玻恩奖。2000年获得洪堡基金会颁发的海森堡奖。
姬扬，男，1971年4月出生，理学博士，研究员。
1998年于中国科科学院半导体研究所获得理学博士学位，主要研究半导体量子阱中电子子带间弛豫过程。
1998年至2002年在以色列魏兹曼研究所作为博士后研究人员，研究固体中电子自旋对电子输运过程的影响以及电子的波动和粒子特性。
2002年，得到中国科学院“百人计划”的资助，开始在中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室工作，从事半导体低维结构中电子的自旋相干过程的研究。
2004年获得国家杰出青年基金的资助。作为骨干研究人员，获得了国家创新群体项目（2006年）和海外创新团队项目（2007年）的资助。并作为项目负责人或主要研究人员参与
目录
译者的话
第四版序言
第三版序言
第二版序言
第一版序言
第1章 导论 1
第2章 光的吸收和发射 4
2.1腔模 4
2.2热辐射和普朗克定律 7
2.3吸收、受激辐射和自发辐射 10
2.4基本光度学量 13
2.4.1定义 13
2.4.2大面积上的照明 15
2.5光的偏振 17
2.6吸收谱和发射谱 19
2.7跃迁几率 22
2.7.1自发辐射跃迁和无辐射跃迁的寿命 23
2.7.2半经典描述：基本方程 25
2.7.3弱场近似 27
2.7.4宽带激发下的跃迁几率 29
2.7.5唯象地考虑衰减现象 31
2.7.6与强场的相互作用 32
2.7.7跃迁几率、吸收系数和谱线强度之间的关系 36
2.8辐射场的相干性质 37
2.8.1时间相干性 38
2.8.2空间相干性 39
2.8.3相干体积 40
2.8.4相干函数和相干度 42
2.9原子系统的相干性 46
2.9.1密度矩阵 47
2.9.2相干激发 48
2.9.3相干激发系统的弛豫 50
2.10习题 51
第3章 谱线的宽度和形状 53
3.1自然线宽 54
3.1.1发射谱的洛伦兹线形 54
3.1.2线宽与寿命之间的关系 56
3.1.3吸收跃迁的自然线宽 58
3.2多普勒宽度 61
3.3谱线的碰撞展宽 65
3.3.1唯象描述 66
3.3.2相互作用势与谱线展宽和位移的关系 71
3.3.3碰撞引起的谱线变窄 74
3.4渡越时间展宽 74
3.5谱线的均匀展宽和非均匀展宽 77
3.6饱和展宽和功率展宽 78
3.6.1光学泵浦引起的能级粒子数饱和 79
3.6.2均匀展宽谱线的饱和展宽 80
3.6.3功率展宽 82
3.7液体和固体中的谱线形状 83
3.8习题 85
第4章 光谱仪器 87
4.1光谱仪和单色仪 87
4.1.1基本性质 89
4.1.2棱镜光谱仪 97
4.1.3光栅光谱仪 100
4.2干涉仪 107
4.2.1基本概念 108
4.2.2迈克耳孙干涉仪 109
4.2.3傅里叶光谱 112
4.2.4马赫曾德尔干涉仪 113
4.2.5萨格纳克干涉仪 116
4.2.6多光束干涉 117
4.2.7平面法布里珀罗干涉仪 124
4.2.8共焦型法布里珀罗干涉仪 131
4.2.9多层介质膜 136
4.2.10干涉滤光片 140
4.2.11双折射干涉仪 142
4.2.12可调谐的干涉仪 146
4.3光谱仪和干涉仪的比较 147
4.3.1谱分辨本领 147
4.3.2采光本领 149
4.4波长的精确测量 150
4.4.1波长测量的精密度与准确度 151
4.4.2当代的波长计 153
4.5光的探测 162
4.5.1热探测器 164
4.5.2光电二极管 170
4.5.3光电二极管阵列 180
4.5.4电荷耦合器件 181
4.5.5光电发射探测器 183
4.5.6探测技术和电子仪器 193
4.6结论 199
4.7刁题 199
第5章 激光：光谱测量中的光源 201
5.1激光的基本知识 201
5 .1.1激光器的基本元件 201
5.1.2阈值条件 202
5.1.3速率方程 204
5.2激光共振腔 206
5.2.1开放式光学共振腔 207
5.2.2开放式共振腔中的场分布 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开放式共振腔的衍射损耗 216
5.2.6稳定共振腔和非稳定共振腔 217
5.2.7环形共振腔 222
5.2.8被动式共振腔的频谱 224
5.3激光发射谱的特性 226
5.3.1主动式共振腔和激光模式 227
5.3.2增益饱和 229
5.3.3空间烧孔 231
5.3.4多模激光和增益竞争 232
5.3.5模式拖曳 235
5.4单模激光的实现 237
5.4.1选择谱线 237
5.4.2横向模式的抑制 240
5.4.3单纵模的选择 242
5.4.4光强的稳定 248
5.4.5波长的稳定 251
5.5荜模激光器的波长可控调谐 261
5.5.1连续可调谐技术 261
5.5.2波长的校准 265
5.5.3频率偏移的锁定 267
5.6单模激光的线宽 267
5.7可调谐激光器 270
5.7.1基本概念 270
5.7.2半导体二极管激光器 271
5.7.3可调谐固体激光器 277
5.7.4色心激光器 280
5.7.5染料激光器 284
5.7.6准分子激光器 299
5.7.7自由电子激光器 301
5.8非线性光学混频技术 304
5.8.1物理背景 304
5.8.2相位匹配 308
5.8.3二次谐波生成 311
5.8.4准相位匹配 316
5.8.5和频与高阶谐波的产生 317
5.8.6 X射线激光器 323
5.8.7差频谱仪 325
5.8.8光学参量振荡器 328
5.8.9可调谐的拉曼激光器 332
5.9高斯光束 335
5.10习题 341
习题解答 343
参考文献 361
第1 章导论
关于原子和分子结构的大部分知识都来自于光谱学研究，因此，光谱学为原子和分子物理学、化学以及分子生物学做出了卓越的贡献。电磁波与物质相互作用时产生的吸收谱或发射谱，可以用多种方式给出关于分子结构和分子与周围环境相互作用的信息。
测量谱线的波长，可以确定原子或分子系统的能级。谱线强度正比于跃迁几率，它量度了分子跃迁的两个能级之间的耦合强度。因为跃迁几率依赖于两个能级上的波函数，强度测量可以证实被激发电子的空间电荷分布，而这只能从薛定谔方程的近似解中粗略地计算出来。利用特殊的技术，可以分辨出谱线的自然线宽，从而确定分子激发态的平均寿命。测量多普勒宽度可以给出发射或吸收光子的分子的速度分布，从而得到样品的温度。从谱线的压强展宽和压强移动中，可以得到关于碰撞过程和原子间势场的信息。外磁场或外电场引起的塞曼劈裂和斯塔克劈裂是测量磁矩或电偶极矩的重要方法，它们反映了原子或分子中不同角动量之间的耦合，即使电子构型非常复杂。谱线的超精细结构给出了关于原子核与电子云之间相互作用的信息，从而可以确定原子核的磁偶极矩、电四极矩甚至更高阶的矩，例如八极矩。时间分辨测量可以跟随基态和激发态分子的动力学过程，研究碰撞过程和各种能量传递机制的细节。单原子与辐射场的激光光谱学研究可以严格地检验量子电动力学，而高精度的频率标准可以检验基本的物理常数是否会随着时间而发生微小的变化。
在光谱学为研究原子和分子微观世界所提供的多种多样的可能性中，这些例子只是很小的一部分而已。然而，从光谱中提取的信息量在实质上依赖于光谱能够达到的谱精度、时间精度以及探测灵敏度。
新技术(例如光谱仪中越来越大、越来越好的光栅，干涉仪使用的高反射率介电涂层，以及光学多通道分析仪、CCD相机和图像增强器等)在光学仪器中的应用显著地提高了探测的灵敏度。引入新型的光谱学技术，例如傅里叶光谱学、光学泵浦、能级交叉技术以及各种各样的双共振方法和分子束光谱学，也带来了巨大的进展。
虽然这些新技术带来了累累硕果，但是整个光谱学领域的真正推动力来自于激光器。在许多情况下，这些新光源可以将谱精度和灵敏度提高好几个数量级。与新的光谱技术结合起来，激光可以超越传统光谱学的基本限制。许多不能用非相干光源做的实验，现在可以做了，甚至已经成功了。本书分为两卷，讨论了这些激光光谱学的新技术，并介绍了必要的设备。
第1卷介绍激光光谱学的物理基础和光谱实验室中最重要的实验设备。首先讨论经典光谱学的基本定义和概念，例如热辐射、受激辐射和自发辐射、辐射功率和强度、跃迁几率以及原子与弱电磁场和强电磁场的相互作用。因为激光的相干性质对于几种光谱学技术都非常重要，所以，我们概述了相干辐射场的基本定义，并简要地描述了相干激发的原子能级。
为了理解经典光谱学中光谱精度的理论极限，第3章讨论了谱线展宽的不同机制，以及可以从线型测量中得到的信息。在每节的后面，用数值例子给出了不同效应的数量级。
第4章的内容对于激光光谱学实验是非常必要的，它讨论了光谱学仪器及其在波长测量和强度测量中的应用。光谱仪和单色仪曾经在经典光谱学中扮演过重要的角色，虽然现在已经被许多激光光谱学实验抛弃了，但是，在许多应用中，这些仪器仍然不可或缺。不同种类的干涉仪非常重要，它们不仅在激光共振腔中用来实现单模运行方式，还在许多精细的波长测量中被用于测量谱线的线型。因为确定波长是光谱学的一个中心问题，所以我们用整整一节来讨论精密波长测量的一些现代技术以及它们的精度。
强度不足是许多光谱学研究中的主要限制之一。因此，选择适当的光探测器非常重要。第4.5节讨论了几种光探测器和灵敏技术，例如光子计数，它的使用现在已经更加广泛。此外第2章到第4章讲述了一些不属于激光光谱学的主题(它们是一般光谱学的概念)，第5章处理的是激光光谱学的基本工具：不同种类的激光器及其设计。它讨论了激光作为光谱辐射源的基本性质，简述了激光的基础知识，例如阈值条件、光学共振腔和激光模式。这里只讨论那些对于激光光谱学非常重要的激光特性。至于更为详细的讨论，请读者参考第5章中引用的文献，它们更为详尽地讨论了激光的性质和实验技术，它们使得激光成为非常有吸引力的光谱学光源。例如，讨论了波长稳定和连续调节波长的重要问题，描述了单模可调谐激光的实现以及激光线宽的限制等。本章的激光部分汇集了不同光谱范围内的不同种类的可调谐激光器，讨论了它们的优点和不足。光学倍频和混频过程可以极大地拓展可利用的光谱范围。第5章也讨论了与光谱学有关的这一非线性光学领域。
第2卷讲述了激光在光谱学研究中的各种应用，讨论了最近发展的不同方法。这些论述依赖于第1卷中讲述的一般性原理和光谱学仪器。首先讲述了激光光谱学的不同技术，然后介绍了近期进展以及激光光谱学在科学、技术、医药和环境研究中的各种应用。
本书旨在介绍光谱学的基本方法和仪器，重点在于激光光谱学。每章的例子都是为了说明正文并介绍其他一些可能的应用。它们主要与自由原子和分子的光谱学有关，而且，出于教学的目的，主要选自于文献或我们实验室的工作，并不代表发表日期的先后，当然，并非总是如此。关于激光光谱学这一广阔领域中更为详尽的成果汇集，读者可以参考激光光谱学的各种会议的会议文集[1.1]～[1.10]、关于激光光谱学的教科书或文集[1.11]～[1.31]。因为激光光谱学的发展主要由一些先驱者推动，回顾一下历史发展和历史人物是非常有趣的。在文献[1.32]和[1.33]中可以找到这样的个人回顾。本书尾部的参考文献清单可能有助于寻找某一特殊实验的更多细节，或者深化每章中的理论或实验。一本非常有用的“光谱学百科全书”[1.34,1.35]详细地讨论了激光光谱学的不同方面。
书单推荐
