激光光谱学是一项关于测量和操控光子的科学技术，研究的是光和物质的相互作用。如果测量时间的精度达到10−1810−18（光钟），测量长度的精度可以达到10−2210−22（引力波），那么就意味着没有什么东西测量不了，也不会有什么系统无法掌控。
利用光来考察物质的性质，这叫“探测”；利用光来改变物质的性质，这叫“调控”。或者说，当光和物质的相互作用很弱的时候，就是探测；当光和物质的相互作用很强的时候，就是调控。不过，当相互作用不强不弱、介于二者之间的时候，要理解光和物质的相互作用就很困难了。
1. 激光光谱学之基本粒子
在激光光谱学里，光指的是所有的电磁波，包括可见光、红外光和紫外光，还包括微波、太赫兹、伽马光、X射线等；物质指的是广义的原子（包括原子、分子和离子），研究的主要是气相的原子。处于气相的原子，它们之间的相互作用比较弱，光谱谱线一般都有非常精细的结构，可以做精细的分析。对于固相或液相来说，由于原子间相互作用太强，光谱往往没有太多的结构，也就无法去仔细地分析了。
激光光谱学里的基本粒子就是原子和光子，它们是被研究的客体，但并不是说它们就不生不灭了。为了研究它们，就要知道如何描述它们，即要知道它们的状态（每个粒子自身的特性）、统计性质（同样的粒子如何相处）和相互作用（不同的粒子如何相处）。
光子的状态主要是用偏振、波长和传播方向来描述，因为由此可以得到能量、动量、频率、圆频率和波矢等（它们都是由基本物理学常数（如光速）和普朗克常数等联系在一起的）。这种情况是真空中的光子状态，被叫作“模式”。至于材料中的光子状态，就要考虑材料的折射率和边界条件，而折射率不仅依赖于光的波长，还可能依赖于光的强度（称为“非线性效应”）。
原子的状态比较复杂，因为有很多种原子（包含分子和离子），各种原子的性质、状态不尽相同。对原子状态可以用“量子数”来描述，包括能量、角动量及其在某个特定方向的投影、自旋等都有确定的量子数。更多的细节需要专门的原子分子物理学理论，而且这个理论和激光光谱学实验是互相促进、相辅相成的。
无论是光子的状态，还是原子的状态，并不是可以任意取值的，而是要满足一些条件（“量子化条件”）。
我们研究的往往不是一个原子或光子，而是很多个，这就要讨论它们的统计性质。简单地说，在一个状态里，可以有多少个相同的粒子。按照经典物理学，每个粒子都是不一样的，都是可以跟踪的。在量子世界里有所不同，量子物理学认为有些粒子确实是一模一样的、完全分不清楚，它们被称为全同粒子。全同粒子有两种：一种叫玻色子，每个状态里原则上可以放任意多个玻色子（称玻色分布）；另一种叫费米子，每个状态里最多只能放一个费米子（称费米分布）。光子都是玻色子，而原子则要依情况而定，根据构成原子的电子、质子和中子的数目之和，如果是偶数，这个原子就是玻色子，如果是奇数，这个原子就是费米子。这一差别有时候很重要，特别是在温度很低的时候，原子才需要抱团取暖，表现出特殊的电磁波冷凝态。当然，在一般的实验条件下，玻色分布和费米分布并没有太大的差别，这时它们都退化成了经典统计物理学中的玻尔兹曼分布了。
原子和光的相互作用的效果就是原子吸收光或者发射光。不论吸收还是发射，原子的状态都会发生改变，这叫做“跃迁”。跃迁不是随心所欲，它要满足一些条件，比如说，能量守恒条件（吸收或发射光子的能量，必须等于跃迁前后两个状态的能量差），再比如，角动量守恒，以及“波函数宇称”的要求等等，这些通常被称为“选择定则”。这些条件实际上让事情变得简单多了，因为对于特定的光子来说，只有很少的几个状态（能级）可以跟它发生相互作用。
原子和光的相互作用，也可以这样来理解：原子是由带正电的原子实和带负电的电子组成的，光就是电磁波，并且具有不断变化的电场和磁场，光的电磁场扰动了电子（主要指电子，原子实太重了），从而改变了原子的状态。
原子和光的相互作用有一个或强或弱的问题，我们可以用简单的模型来说明。考虑一个原子，它有两个状态（通常称“上能级”和“下能级”），它和某个状态（模式）里的光子发生相互作用。现假设原子上能级和下能级的能量差必须等于光子的能量，而且满足所有的选择定则（否则它们就不会发生相互作用）。原子通常处于下能级，即使原子不小心跑到了上能级，也不会老呆在那里，过一段时间就会跳下来，这样就产生了“自发辐射”。如果因为有光的作用，呆在下能级的原子会吸收光而跳到上能级，其几率正比于模式里光子的总数，这样就产生了“受激吸收”。同样，呆在上能级的光子，也会因为“受激发射”而跳下来，这个几率也正比于模式里光子的总数。由于跳下来可能是因为自发辐射（模式里没有光），也可能因为受激发射（模式里有很多光），原子和光的相互作用的强弱就有了一个简单的判据：原子跳下来更多的是因为自发辐射，其相互作用就弱；如果主要是因为受激发射，那么相互作用就强。
这个判据也可以用来区分激光和普通的光源（比太阳）。光有很多状态（模式），对于普通的光源来说，每个模式里的光子很少（远小于1个），而对于激光来说，绝大多数模式里的光子数仍然很少，但是有那么几个模式里，光子数非常多（远多于1个）。激光的单色性好、方向性强，就是因为光子数少的缘故（一个很粗糙的说法是，“光的相干性”其实就是描述了这样的模式到底是多还是少）。此外，一个模式里的光子数越多，这个模式的光与原子的相互作用就越强，因为受激吸收和受激发射都依赖于模式里的光子数。
2.激光光谱学之分光技术
彩虹是一种自然现象，光谱学实验也可以得到的这种光谱学现象：让一束太阳光穿过三棱镜，在背景墙壁上会出现彩色光带——这是最早的光学实验。
光谱学首先要区分不同的光，测量它们的波长和强度。只有把均匀平行光束里的不同波长的光区分开来，才好测量强度。人眼看到的是可见光的整个光谱，而探测器通常对波长也不是那么敏感。分光元件可以把光束按波长或按其它特性区分开，比如三棱镜可以把可见光谱划分为很多不同的成分。常见的分光元件还有光栅和干涉仪。
三棱镜分光现象在几何光学里被认为是光的折射因素带来的。对于不同波长的光，玻璃的折射率不同，光进入玻璃后偏折的角度不一样；当光从玻璃里射出来时，光还要偏折一次。这就导致光束在入射的表面和出射表面不能平行（不然就是被分开的不同波长的光又混到一起去了）。所以，三棱镜的两个面的夹角越大，分光的效果越好。当然角度也不能太大，因为对于一定大小的光束，棱镜尺寸不宜显得太大。经棱镜出射的光，不同波长的光出射的角度不同，而同一种波长的光仍然是平行光束。如果在出射光路上放置一个凸透镜，不同波长的光就会聚焦在焦平面不同的位置上，这样就将不同波长的光区分出来了。
光栅和干涉仪的工作原理都是利用波动光学里光的相干涉性。光栅是在光洁的镜面上刻划了许多周期性的结构，这些周期性结构的间距与光的波长相仿，其出射光的方向就依赖于入射光的波长，同样起到了分光的效果。干涉仪的种类很多，比如法布里-珀罗（FP）干涉仪。FP的入射光束在干涉仪的两个高反射性表面之间多次反射，干涉的结果使得只有特定波长的入射光才具有非常高的透射率。如果想调节出射的波长，必须改变这两个反射表面的间距，或者是平行光的入射角度，但不能改变太多，因为镜面的大小是有限的，光在多次的反射过程中是会逐渐跑掉的。
干涉现象的效果取决于光的运动行为的聚集协同性。对于光栅来说，光束的面积越大，照射到的周期性结构越多，分光的效果就越好；对于FP干涉仪来说，光束来回反射的次数越多，不同波长的透射率差别也就越大。
折射或干涉都是把不同波长的光分派到空间的不同位置上。通常用λ/δλλ/δλ来描述分光元件的分辨本领，这个值越大，你在某个波长λλ附近能够分辨的最小光谱范围δλδλ就越精细。但是，分辨本领也不是越大越好，而是要和研究的目标相匹配。这就涉及到分光元件的另一个性质——自由光谱区ΔλΔλ，在这个范围里，不同的波长会落在不同的空间位置上，波长和空间位置有一一对应关系。超出了这个范围，同一个空间位置上就可能有不同的波长而无法分辨。
分辨本领和自由光谱区通常是有矛盾的。分辨本领太高，难见光谱区；自由光谱区太大，则难以达到分辨的精度。在进行光谱学测量的时候，往往需要几种不同的分光元件配合使用，才能达到最佳的效果：有的大致确定光谱的范围，有的仔细区分一点一滴的差别。
分光元件的采光本领是有资源（接收面积和接收角度）上限的，这导致光的波长λλ和通光孔径DD的比值决定了“平行光束”的最小发散角λ/Dλ/D，也就决定了分光元件的理论分辨极限。
3.激光光谱学之探测器
激光光谱学的测量效果取决于探测器和测量方法。如果选择了恰当的探测器和测量方法，可以提高信噪比（信号与噪声的比值）。只有信噪比越高，测量所需要的时间才越短，外界对系统的影响也就越小。
人的眼睛是最基本的光探测器，选择探测器就是以眼睛这个特殊的光探测器为参照的（关于人眼的构造和视觉机制，可参看《费曼物理学讲义》）。
1）确定探测器的响应区间。光谱的范围很宽，每种探测器只能覆盖其中很小的一段。比如，人眼只能看到可见光（400～760纳米）。对于太阳光经过棱镜后出现红橙黄绿青蓝紫的彩色光带，在红光的外侧，我们就看不见什么了。但是当你把温度计放在那里的时候，会发现温度计指示的温度升高了，这就是红外光的效果。因此，必须根据研究内容选择适当的探测器，比如红外探测器、紫外探测器、X射线探测器等。此外还有影像增强器，它的机理是先把光转化为电子，再把电子转化为光。在没有适当的探测器可以探测初始阶段的光的情况下，可以采用这种迂回的方式。
2）确定探测器的响应曲线。对于响应区间里的不同波长，探测器的响应是不一样的。比如人眼对绿光最敏感，对红光、紫光就“差劲”了。
3）确定探测器对特定波长光的光强响应特性。这个响应最好是线性的，这样处理起来方便，如果不是线性的，就要特别注意做好定标。既要知道探测器能够测量的最小光强（再小则无法和噪音区分），也要知道探测器能够承受的最大光强（再大则烧坏仪器）。人眼非常灵敏，能够探测接近于单光子的水平，但人眼不是很皮实，对着太阳看就会伤害眼睛（当年牛顿没有被太阳照瞎真是运气好）。人眼对光的响应不是线性的，在强光和弱光下的光谱响应曲线都不一样，白天和晚上的响应也不同，因为人眼里有多种感光细胞，我们对光的感觉是各种响应混合的结果。
4）确定探测器的时间响应特性。探测器对光的反应时间（Math Processing Error]）τ的大小对于人眼来说，响应得太慢了，只有几十毫秒。所谓的视觉暂留就是指的这么一回事。观测系统中比τ更短的变化，都被探测器平均掉了。
5）确定探测器的一致性。有时需要多个探测器在相同的波长范围里探测，这就要求这些探测器的性能都一样。人眼在这方面就比较差，而且各个人都不一样，普通人看到400-760纳米，可是有的人却能看到380-780纳米。即使是同一个人，他的左眼和右眼也可能不一样，即使是同一只眼，今天和明天的表现也依赖于身心状况。当然，半导体光电探测器的一致性都是很好的。
6）确定探测器的噪音特性。简单地说，就是不用光照的时候，探测器的响应有多大。如果在漆黑的夜晚，别人都是啥也看不到，而你却能看到闪闪发光的大佛，那么你就不太适合做光学实验了。
选择好了探测器，还有一个探测方法的问题。探测方法就是要力求达到增大信号、减小噪音，尽可能地提高信噪比。其原则是：
首先要尽可能地增大信号。比如说，用光照射物体，可以让它的温度升高，这就是把光转化为热效应。为了尽可能增大探测器的温度变化，你就要选用比热容小的材料，让它尽可能的黑（增大吸收率）、体积做得尽可能的小（减小物质的量）。为了测量方便，也许还要选用半导体材料，这样就可以把温度的变化（不容易测量）变成电阻的变化（容易测量）。
如果光产生的效应还是太弱，那么就要考虑是否让初级效应产生一些二级效应、三级效应等。比如雪崩二极管就是利用大电场加速半导体中光生的电子和空穴，让它们撞击产生更多的电子和空穴，新生的电子和空穴又继续加速产生更多的电子和空穴，这样就可以让信号变得很大（光电倍增管的原理与此类似）。
如果信号比较大，探测器的噪音水平比较低，信噪比达到了要求，那么直接测量就可以了。如果信噪比离要求还差一些，一种简单的方法是延长测量时间，因为信号的增加是正比于时间的，而噪音的增加跟时间的平方根成正比（著名的醉汉行走问题），所以信噪比正比于测量时间的平方根。这种方法需要假定被观测的系统不会随时间发生变化。
一种常见的提高信噪比的方法是差分测量。选用两个（尽可能）相同的探测器，一个用光照，一个不照光，把二者的输出相减，就可以了。这是空间差分。采用同一个探测器，一会让光照它，一会挡住光，把这两种情况下的输出相减，也就可以了。这是时间差分。
上面讲的是单个探测器。随着半导体加工工艺的发展，现在可以制作大批量的、性能一致的探测器阵列。我们通常说的线阵探测器是几百个探测器排列在一条线上，而阵列探测器是成千上万个探测器排列成一个面。手机里的照相机就是这样的阵列探测器，几千行、几千列相同的半导体元件集成在一起，就构成了所谓的的一千万像素的CCD（或者CMOS）探测器。科学研究利用的探测器跟手机上的差不多，只是性能要好得多（主要是噪音水平很低）。
有了探测器阵列，可以把很多原来必须串行操作的测量转化为并行操作。如果用分光仪把不同波长的光照射到不同的空间位置上，阵列探测器就可以同时测量不同的波长了（如果有必要还可以做各种差分测量）。这样就大大提高了测量的效率。
4.激光光谱学之激光器
激光器的目标是把尽可能多的能量分配在尽可能少的模式里。激光器包含三个要素：共振腔，选择适当的模式；增益介质，放大光的功率；泵浦源，从外部提供能量。
泵浦源改变了增益介质中的粒子数分布，使之显著偏离热平衡态（玻尔兹曼分布），达到在一些能级之间产生粒子数反转，也就是说上能级的粒子数比下能级多。这样一来，穿过增益介质的光就可以被放大，也不会因为吸收而衰减。从而实现粒子数反转的能级，就构成了材料的增益谱。
增益介质处于共振腔里，穿过增益介质的光大多是匆匆过客，只有那些行进方向跟共振腔的光轴一致的光，才有可能在两个端镜之间多次反射。端镜的横向尺寸很小，共振腔的纵向长度很大，为了得到足够增益需要往返的次数很多，因而任何微小的偏离都是致命的。这就要求激光器里的横向模式是很少的。只要方向正确，就都是同路人，步子大点还是小点，关系就不是太大，每次经过增益介质，总是能从他那里揩点油的，所以，激光器的纵向模式可以很多。
激光共振腔跟通常的法布里-珀罗腔的最大差别就在于前者的腔里面放了块增益介质。我们知道，材料的折射率取决于电子在其能带（或能级）中的分布情况，光当然会改变这种分布，而激光共振腔里最不缺的就是光啊。所以，增益介质的折射率是随时变化的，跟激光器的工作状态有很大关系。激光的模式拖曳就是因为这个缘故。激光要实现激射，必须有粒子数反转。同一个地方的粒子数反转，给了这个模式，就不能给那个，不能一鱼双吃，只能是谁的拳头大谁有理（受激辐射正比于光强），这就是激光的模式竞争。对于同一个模式，不同地方的粒子数反转对激光的贡献可能也不一样，因为共振腔里驻波场的振幅是依赖于具体位置的，这样就会出现“贫富”分化的情况，造成了激光的空间烧孔。
为了避免空间烧孔，通常有两种方法。一种是采用行波腔，让共振腔里的激光场跑起来，不要停在一个地方不动；另一种方法是采用多模模式，这样就可以让不同的波长占据不同的位置，就好比是一方水土养一方人。
为了防止模式竞争，最好的方法就是马太效应。“人之道，损不足而奉有余”，养一根独苗，实现单模激光。横向模式的选择比较容易，通常不过是调节光轴上一个小孔的大小，不同模式的光具有不同的横向光场的分布，同一个小孔导致的光场损耗可以有巨大的差别。纵向模式的选择比较麻烦，经常要放几个不同的标准具（也就是法布里-珀罗腔）在共振腔里，只有经过多重考验的模式才能够幸存下来。
为了防止模式拖曳，就要保证激光工作在稳定的状态。泵浦源要稳定，激光的光强和波长也要稳定。稳定的原则很简单，就是负反馈，“天之道，损有余而补不足”。波长的稳定就是调节共振腔的等效程度，压电晶体可以高速稳定高精度地调节端镜的位置。光强的稳定可以通过改变泵浦光的强度或者共振腔的损耗来实现。
这些方法可以让你得到一个单模的激光器，可是你怎么确定这就是你想要的激光波长呢。这就涉及到激光波长的定标问题，你当然可以找个信得过的激光器、标准具或者其他什么的来比对一下，但是最好的方法还是选择一个自然出现的光学跃迁过程来比对，因为“上帝是微妙的，但不是邪恶的”。
可调谐的激光器则是在定标好了的单模激光器的基础上，通过增益谱足够宽的增益介质、泵浦功率足够强的泵浦源、模式控制自如的光学腔这三者协调组合而得到。
附录：激 光 的 四 大 特 性（来自网络）1.单色性
光的颜色是由光的波长（频率）决定的。光总是有一定的频率宽度（波长范围），频率宽度越小，则此光的单色性越好。普通光源发出的光波，它的谱线宽度比较大，有一定的频率范围，这个频率范围内的所有频率，都可以在它所发射的光波中找到，也就是说颜色很杂很多，无法准确判断其颜色。例如，普通光源中单色性最好的氪灯，它的谱线宽度已达4.7×10-3 nm（纳米），但是，经过光学谐振腔（激光器）的原理选择后，只有哪些满足谐振腔共振条件而又落在工作物质的谱线宽度内的频率光才能形成激光输出，不满足共振条件的频率，都在谐振腔内干涉相消了。经过谐振腔选择后发射出来的光波，它的频率宽度即波长分布范围非常窄，一般谱线仅为10-9nm，是氪灯的5万分之一。所以激光的颜色极纯，单色性很好。
单红色激光能被血红细胞所强烈吸收，对人体有健康好处。
光纤通信中用激光传播来减少光信号的损耗，因而通讯光缆的信号很好。
2.偏振性
实验证明，激光所发射的光是一种偏振光。偏振光在前进中它的周围带有电磁场力，研究得知偏振光的照射能够重新排列液晶分子。而细胞膜类似于液晶分子，所以激光照射能使细胞分子按偏振光的电场力重新排列，使细胞表面不正常结构发生改变（细胞表面带电性能，血粘度、血小板等发生变化）。
偏振性的振动只发生在一个平面内（共振），且方向固定。例如，激光照水不发生折射；偏振镜可以防反光。
3.相干性
光波是由无数个光量子组成的，而由激光发射出来的光量子由于共振原理，它们在波长、频率、偏振方向等方面都是一致的。正因为激光步调相同，使其具备非常强的干涉力。研究表明，不同结构的细胞对激光的干涉反应是不同的：对当细胞的氧化还原电位已经处于使细胞可以发挥正常功能状态时，细胞对低强度激光的干涉不受到影响，即这时的激光对正常细胞不起作用；当细胞的氧化还原电位比正常电位要低的时候，细胞对激光的干涉开始有反应，且电位越低，影响越大。所以，只有对那些生物功能需要调整即病理状态下的生物组织，低强度激光才能产生影响。
4.方向性
激光束的发散角非常小，几乎是一条直线，而普通光线是向四面八方扩散的，无法说清它的发散方向。激光束的能量集中，可以很强的穿透皮肤、肌肉、血管壁而照射血液。
医学上用激光做针灸。
激光与普通光的区别，可以通过晚上在一间漆黑的房子里打开一盏灯和打开一束激光而体现出来。
联系客服
