Eine Linienverbreiterung (auch als Verbreiterungsmechanismus bezeichnet) ist in der Physik die meist unerwünschte Vergrößerung der Linienbreite einer Spektrallinie der Strahlung-emittierenden Systeme (z. B. Laser) gegenüber der natürlichen Linienbreite. Die natürliche Linienbreite als Vergleichsbasis folgt als minimale Breite aus der Energie-Zeit-Unschärferelation.
Folgende Verbreiterungsmechanismen werden unterschieden:
| Verbreiterung | Erklärung |
|---|---|
| Homogene Mechanismen | |
| Druckverbreiterung (auch Stoßverbreiterung) | Entsteht bei Stößen (elastisch und inelastisch) zwischen den Teilchen. |
| Sättigungsverbreiterung | Ist abhängig von der eingestrahlten Laserintensität. |
| Inhomogene Mechanismen | |
| Dopplerverbreiterung | Folgt aus dem optischen Dopplereffekt bei relativ zum Laser bewegten Teilchen. |
| Flugzeitverbreiterung | Tritt auf bei Wechselwirkungszeiten, die kürzer als die natürliche Lebensdauer sind (z. B. wenn die zu vermessenden Teilchen den Laserstrahl mit hoher Geschwindigkeit kreuzen). |
Linienverbreiterungen auf Röntgen-, Elektronen- und Neutronenbeugungsaufnahmen können auch durch innere Spannungen der Probe oder dadurch verursacht sein, dass nur ein sehr kleiner Bereich (< 10−5 cm) kohärent streut. Dies wird in der röntgenographischen Spannungsmessung angewandt.
Die auch bei einem fast fehlerfreien Kristall zu erwartende Linienbreite kann durch derartige Effekte verbreitert werden. Auch Stapelfehler und andere Abweichungen von der idealen Kristallstruktur haben einen Einfluss auf das Linienprofil. Das Maß der Verbreiterung erhält man, indem man
Die Linienverbreiterung kann mit verschiedenen Verfahren ausgewertet werden. Für das Linienprofil werden dabei spezielle Funktionen vorausgesetzt, z. B. eine Gauß-Verteilung oder die Cauchy-Verteilung. Mit Hilfe solcher Verfahren ist es möglich, die Linienverbreiterung in einen Gitterverzerrungs- und einen Teilchengrößenanteil zu zerlegen.
Bei der mathematisch aufwendigeren Warren-Averbach-Methode führt man eine Fourier-Analyse des Linienprofils durch, die zu einer Verteilungsfunktion für die Gitterverzerrung und die Teilchengrößen führt.
Wenn in der Geschwindigkeitsverteilung der emittierenden Teilchen alle möglichen Bewegungsrichtungen relativ zum Empfänger vorkommen, ergeben sich positive und negative Dopplerverschiebungen verschiedener Größe. Dadurch wird die Spektrallinie breiter. Mit steigender Temperatur verstärkt sich dieser Effekt.
Strahlung aus heißen Gasen oder Plasmen zeigt eine Linienverbreiterung, die mit dem Druck ansteigt. Die Ursache liegt in den Zusammenstößen der Emittenten, in denen sich die Elektronenhüllen deformieren. Dadurch werden zum einen die Energieniveaus von Anfangs- und Endzustand des Emittenten verschoben. Zum anderen wird die Lebensdauer des angeregten Zustands durch den Stoß häufig vorzeitig beendet. Beides führt zur Verschiebung von Frequenz bzw. Energie des emittierten Photons.
en:Spectral_line#Spectral line broadening and shift