光谱线轮廓与线宽
来源：共聚焦项目「平面反卷积」资料中的光谱原理讲义（第2章 2.4 节），系统讲解光谱谱线增宽的物理机制。与平面反卷积去卷积处理直接相关——仪器增宽正是反卷积技术要消除的对象。
核心概念
线型与半宽
- 谱线不是几何意义上的”线”：谱线强度围绕中心频率 ν0 的分布函数 I(ν) 称为线型，分为线身（核）与线翼
- 半高全宽 FWHM：I(ν1)=I(ν2)=I(ν0)/2 的频率间隔 Δν=|ν1−ν2|
- 三种基本线型：高斯线型、洛伦兹线型、佛克脱（Voigt）线型
- 例题：钠双黄 D 线中心波长 590 nm 与 590.6 nm，频率间隔约 516 GHz
五种谱线增宽机制
1. 自然线宽（辐射阻尼增宽）
- 源于海森堡测不准关系：能级寿命有限 → 能级有能量范围 → 谱线固有宽度
- 跃迁几率决定能级平均寿命；对偶极辐射振幅做傅立叶变换得洛伦兹线型
- 特点：洛伦兹线型；很难直接观测，易被其他增宽效应掩盖
- 若可测自然线宽，可反推能级寿命
- 量级：紫外-可见波段约 10⁻⁵ nm
2. 多普勒增宽（非均匀增宽）
- 粒子无规则热运动 → 多普勒效应；速度服从麦克斯韦-玻尔兹曼分布
- 线型：高斯线型
- 规律：随温度升高增大、随原子质量增加减小；与频率成正比
- 属于非均匀增宽（自然增宽与碰撞展宽为均匀增宽）
- 量级：紫外-可见波段约 10⁻³ nm，比自然线宽高约 2 个数量级
3. 碰撞增宽（压力增宽）
- 粒子间/粒子与器壁碰撞使辐射波列中断为有限波列
- 碰撞衰减系数 γC 与辐射阻尼系数 γN 效果类似
- 线型：洛伦兹线型；低气压下与气压成正比
- 比自然增宽大得多；液体中谱线增宽的主要方式（液体密度大，碰撞间隔 < 能级寿命）
- 碰撞展宽 > 相邻谱线间距时形成连续光谱（如液体分子振-转谱）
4. 佛克脱（Voigt）线型 —— 多机制卷积
实际中多种增宽机制同时作用，最终线型是各线型的卷积：
- 高斯 ⊛ 高斯 = 高斯
- 洛伦兹 ⊛ 洛伦兹 = 洛伦兹
- 高斯 ⊛ 洛伦兹 = 佛克脱线型
- 典型场景判断：
- 低气压辉光放电：多普勒展宽占优（高 2 个量级）→ 近似高斯
- 低温高密度重气体：碰撞展宽 >> 多普勒展宽 → 近似洛伦兹
5. 其它展宽
- 飞行时间展宽：粒子穿越光束时间（~μs 量级）< 能级自发寿命；相当于辐射场乘以方波，谱线为 sinc 函数；分子转动-振动能级常见
- 仪器增宽：光谱仪器分辨率有限所致；实测光谱 = 理论光谱轮廓 ⊛ 仪器响应函数
可行动点 / 工程关联
- 去卷积（反卷积）的理论依据：已知仪器响应函数时，可用计算机对光谱图去卷积，减小仪器对光谱的影响——这正是共聚焦项目”平面反卷积”处理的物理基础（维纳滤波/RL 去卷积还原被仪器函数模糊的真实信号）
- 判断实际体系主导增宽机制，决定拟合用高斯、洛伦兹还是 Voigt 线型
- 均匀增宽（自然、碰撞）与非均匀增宽（多普勒）的区分是激光光谱与原子吸收分析的基础考点
关联
- 共聚焦显微镜光学原理（仪器响应函数/PSF 概念同源）
- 云盘同目录另有平面反卷积系列讲义（光谱原理其他小节待消化）