用高分辨中红外激光研究分子光谱线形

论文摘要

分子光谱线型研究有着非常广泛的应用,如应用在地球物理,天体物理等等领域。本工作主要介绍大气分子的线型研究。在法国巴黎的LPMAA实验室,设计制作了一个低温多次反射Herriott池。其温度可以在室温和15K之间连续可调,可以以静态冷却或碰撞冷却的方式工作。其与一台利用迈克耳逊干涉仪稳频的可调谐中红外二极管激光光谱仪连用,可用于光谱参数随温度变化的研究。利用低温Herriott池和稳频可调谐二极管激光光谱仪的优良特性,该装置被用于测量12CH4气体v3振动带中P（9）多重态的光谱参数随温度变化。实验的结果用于研究随温度变化的光谱参数对获取大气中CH4体积混合比的影响,并与用Hitran04数据库的光谱参数获得的体积混合比作对比,发现二者间有显著差异。该低温Herriott气体池也用于测量低温下13CO2气体v3振动带中P（2）和R（10）两条吸收线的氦气碰撞展宽系数,实验温度的变化范围为从室温到70 K。当该低温气体池以碰撞冷却模式工作的时候,研究了施加于进气针管不同的加热功率对样品浓度的影响,发现碰撞气体氦气的总压力受其热传导的限制,以致拟合在20K这样的极端低温下做碰撞冷却实验获得的数据的拟合误差比较大。尽管如此,这类低温实验提供了验证势能面的低温光谱数据,且通过碰撞冷却实验获得的20K这样的极端低温也给产生He-CO2聚合物提供了可能。另外,基于一台连续可调谐钛宝石激光器和一台连续波Nd:YAG激光器,在中国科学技术大学的实验室设计和搭建了一台中红外差频光谱仪。为了将其应用于线型研究,1064 nm的Nd:YAG激光器被倍频到532 nm,然后用多普勒展宽的碘吸收线对其稳频,以此减小其波长的长时间漂移。通过这样的方法获得的差频输出的频率波动可以减小到1×10-4cm-1以下。低压CH4气体吸收线被用于测量该差频系统的仪器函数。最小二乘拟合得到了其仪器函数为半高全宽为1.7×10-4cm-1的洛仑兹线型。在中国科学技术大学的实验室里还搭设了一套仲氢基质隔离光谱装置,高分辨光谱被用于研究隔离在凝聚相环境中的分子。固态氢（或者混有样品气体分子）可以在封闭池子内或者低温基片上制备,然后用高分辨傅立叶变换光谱或差频激光光谱研究。用这些方法,研究了固态普通氢和固体高纯仲氢的光谱。将不同CO2同位素分子隔离在不同正氢浓度和不同温度的固态氢中,研究显示隔离在固态氢中的CO2分子的光谱对其环境非常的敏感。这些复杂的光谱将可以帮助揭示这类量子固体体系中丰富的物理信息。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 线型研究理论和进展
• 1.1 简介
• 1.1.1 中红外线型研究
• 1.1.2 线型研究对光谱仪的要求
• 1.2 线型理论
• 1.2.1 吸收的一般理论
• 1.2.2 吸收线型中的变窄效应
• 1.2.2.1 限域变窄效应
• 1.2.2.2 速度依赖的效应
• 1.2.3 光谱实验数据的线型理论
• 1.2.4 线型研究中不同的光谱参数
• 1.3 线型研究的进展
• 1.3.1 用于线型研究的中红外激光光谱仪
• 1.3.2 线型研究中使用的气体池
• 1.4 结论
• 参考文献
• 第二章 用于线型研究的可调谐稳频二极管激光光谱仪
• 2.1 简介
• 2.1.1 LPMAA实验室的线型研究历史
• 2.1.2 低温光谱实验的重要性及其对实验的要求
• 2.2 实验装置
• 2.2.1 线型研究中的分子冷却技术
• 2.2.1.1 静态冷却气体池
• 2.2.1.2 碰撞冷却技术
• 2.2.2 低温Herriott气体池
• 2.2.3 稳频二极管激光光谱仪
• 2.2.3.1 迈克尔逊干涉仪用于稳频
• 2.2.3.2 迈克尔逊干涉仪的记录模式
• 2.3 实验和结果
• 2.3.1 甲烷测量结果及其在同温层气球光谱中的应用
• 2.3.1.1 低温下甲烷光谱参数随温度变化系数的重要性
• 2.3.1.2 实验
• 2.3.1.3 多光谱拟合过程（Multifit Procedure）中使用的模型
• 2.3.1.4 结果和讨论
• 2.3.1.5 应用于气球光谱
• 2吸收线氦气压力展宽光谱参数随温度的变化'>2.3.2 低温下CO₂吸收线氦气压力展宽光谱参数随温度的变化
• 2+He的重要性'>2.3.2.1 光谱研究CO₂+He的重要性
• 2.3.2.2 实验
• 13CO₂吸收线的氦气压力展宽测量结果'>2.3.2.3 在大温度范围内¹³CO₂吸收线的氦气压力展宽测量结果
• 2.3.2.4 碰撞冷却实验中氦气总压力受其热导限制
• 2.4 结论和展望
• 参考文献
• 第三章 稳频差频激光光谱仪用于线型研究
• 3.1 简介
• 3.1.1 差频产生
• 3.1.2 电光调制晶体用于频率调制
• 3.1.3 Nd:YAG激光器的稳频
• 3.2 实验装置
• 3.2.1 差频系统光路
• 3.2.2 Nd:YAG激光器的倍频和用电光频率调制方法稳频
• 3.2.3 压电陶瓷调制用于Nd:YAG激光器的稳频
• 3.2.4 波长扫描控制和数据采集
• 3.3 测量仪器线型
• 3.3.1 波长扫描的非线性校正
• 3.3.2 仪器线型的拟合结果
• 3.4 频率调制光谱应用于痕量气体的探测
• 3.5 结论和展望
• 参考文献
• 第四章 仲氢基质隔离光谱装置
• 4.1 简介
• 4.1.1 固态仲氢的性质
• 4.1.2 仲氢基质隔离光谱和应用
• 4.2 实验装置
• 4.2.1 获得高纯度仲氢的转化装置
• 4.2.2 生长氢晶体的装置
• 4.2.3 傅立叶变换光谱的应用
• 4.2.4 差频激光光谱的应用
• 4.3 应用和结论
• 4.3.1 固态普通氢
• 4.3.2 固态仲氢
• 2分子的氢基质隔离光谱研究'>4.3.3 CO₂分子的氢基质隔离光谱研究
• 4.4 结论和展望
• 参考文献
• 附录Ⅰ
• 附录Ⅱ
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢