光谱展宽是指光或信号中的频率从较窄的范围扩展到较宽的范围。这导致与原子、分子或离子的能态转换相对应的尖锐、离散的光谱线转变为更宽、更不明确的特征。发生宽化的原因有多种，包括原子或分子的自然线宽、多普勒效应、碰撞以及温度和压力等外部扰动。

均质和非均质拓宽是光谱拓宽现象的两种类型，它们是由不同的物理机制引起的。


图 1：光谱展宽

均匀展宽

均质增宽是指所有原子或粒子以相同频率发射或吸收辐射的光谱线（代表原子转变）的增宽。这种频率的一致性会导致光谱线对称展宽，所有粒子都会受到相同的影响，如温度、压力或外加磁场。

在均匀展宽中，所有原子或粒子都经历相同的外部条件，如温度、压力或外加磁场。这些均匀的外部扰动会以一致的方式影响粒子的能级，从而导致相同的过渡能。

因此，在能级变化过程中，粒子会以相同的频率发射或吸收辐射。这种发射或吸收频率的一致性会导致光谱线以相同的量增宽，从而形成对称的线形。

均质增宽的关键在于粒子之间的一致性，即粒子对外部影响的反应相似，从而导致其光谱反应的集体同步行为。在粒子频繁相互作用或受到类似环境条件影响的情况下，如在稠密气体、液体和某些温度适中的固态系统中，通常会观察到均匀展宽现象。



图 2：均匀展宽

拓宽现象可以用洛伦兹线形来描述，它呈现出一条沿频率轴无限延伸的对称钟形曲线。如图 3 所示，这种线形由一个称为 "半宽半最大值（HWHM）"的参数来描述，该参数表示曲线在最大强度的一半处的宽度。HWHM 表示光谱线在最大强度一半处的宽度，与原子或分子之间的碰撞率成正比。



图 3：HWHM 参数

发生均匀增宽的光谱线的线形可以用洛伦兹分布来描述，其公式如下：

其中，I(ν) 是频率为 ν 时光谱线的强度，I0 是光谱线的最大强度，ν0 是光谱线的中心频率，γ 是线宽参数，称为半最大半宽 (HWHM)。

在碰撞频繁的高密度气体、液体和固体中经常可以观察到这种现象。在这类介质中，碰撞会使能态随机化，从而导致光谱线变宽。

均匀展宽的应用

均相宽化对科学和技术的各个领域都有重大影响，包括激光物理学、光谱学和通信系统。在激光物理学中，展宽限制了激光发射的线宽，而 HWHM 参数决定了可实现的最小线宽。在光谱学中，它可用于测量原子或分子与其环境之间的碰撞率。在通信系统中，这种展宽会限制光纤的带宽。

非均相展宽

非均相展宽是指不同原子或粒子以不同频率发射或吸收辐射所导致的光谱线（代表原子转变）展宽。频率的不同会导致光谱线不均匀地增宽，从而形成不规则或不对称的形状。

在这种拓宽中，不同的原子或粒子经历了不同的外部条件或相互作用，导致它们的跃迁能量发生变化。

由于这些能级不同，当这些粒子在能级转换过程中发射或吸收辐射时，会出现不同的频率。这就导致光谱线的展宽不均匀，因为每个粒子都以其独特的发射或吸收频率对光谱线的形状做出了贡献。

不均匀展宽常见于样品包含能级分布的情况，如不同温度或压力下的气体、液体和固体。它也可能由于粒子局部环境的随机波动而产生。

不均匀展宽的关键在于颗粒之间缺乏一致性，它们对外部影响的反应不同，或与周围环境的相互作用各异。这种光谱响应的多样性导致光谱线形状不规则或不对称。在复杂的系统中经常会观察到非均相展宽现象，在这些系统中，粒子间能级和局部条件的异质性是一个重要因素。

展宽可以用高斯线形来描述，高斯线形的特征是一个标准偏差参数。高斯线形又称高斯轮廓或高斯曲线，是一种数学函数，用于表示光源发射或吸收光的光谱强度分布。该曲线的特点是呈对称的钟形，最高强度（峰值）位于中心，强度随着远离中心逐渐减小。

高斯线形状的方程为

其中 x 为辅助变量，x=0 时最大值为 1，x=±1 时最大值为 1/2

该参数表示光谱线的宽度，与多普勒效应有关，多普勒效应是指波源和观察者之间的相对运动引起的波频或波长的变化。

其中，I(ν) 是光谱线的强度与频率 ν 的函数关系，Io 是光谱线的最大强度，νo 是光谱线的中心频率，σ 是分布的标准偏差。标准偏差 σ 通过下式与原子或分子的速度相关：

其中，c 是光速，k 是玻尔兹曼常数，T 是介质的温度，m 是原子或分子的质量。该等式表明，非均相增宽导致的光谱线宽度取决于原子/分子的温度和质量。

非均相展宽通常在稀释气体中观察到，在稀释气体中，原子或分子分离得很好，不会发生频繁碰撞。在这类介质中，多普勒效应会导致光谱线变宽。多普勒效应产生的原因是随机运动，由于原子或分子与观察者之间的相对运动，导致它们以略微不同的频率发射或吸收辐射。

非均相展宽的应用

非均相展宽对科学和技术的各个领域，包括天体物理学、大气物理学和遥感都有重大影响。在天体物理学中，非均相展宽可用于研究星系中恒星的运动。在大气物理学中，它可用于测量大气的温度和压力剖面。在遥感方面，这种展宽可用于探测大气中是否存在污染物。