瞬态双原子分子的高灵敏光谱及动力学研究

论文摘要

瞬态分子具有寿命短、化学活性强等特点,它包括自由基分子、分子离子、激发态分子以及里德堡分子等,广泛存在于星际空间、化学反应、等离子体放电、燃烧和爆炸等过程中,所以一直以来瞬态分子都是物理学家、化学家、天文学家和光谱学家关注的焦点。光谱学是了解原子分子内部结构的最直接手段,它帮助人们了解微观粒子的组成、获知原子分子内部能级结构,以及能级之间的相互作用和动力学信息等。瞬态分子在实验室的生成浓度非常低,通常情况下只有稳定分子浓度的百万分之一（甚至更低）,所以测量瞬态分子光谱所需的光谱技术应具备非常高的灵敏度。本实验室的光外差-速度/浓度调制（OH-VMS/CMS）光谱测量系统具有很高的灵敏度（10-9,1s）,在国际上被公认为是研究瞬态分子光谱的最佳方案之一。本文利用此实验系统研究了近红外波段（12000-13300 cm-1）纯He气放电的光谱和二硫化碳（CS2）的放电光谱。本文采用OH-CMS光谱技术研究了He气放电光谱,观测到了He2c3∑g+-a3Σu+光谱和b3Пg-a3∑u+的预解离光谱,指认了He2c3Σg+-a3∑u+（1,0）、（3,1）、（4,2）和（2,0）带的59条跃迁谱线,通过对指认谱线的拟合获取了更为精确的c3Σg+电子态v=1、3和4的分子常数。此工作不仅对研究高精密的He2分子光谱具有一定的意义,而且为以后研究He气同其他样品气体的放电光谱去除He2谱线的干扰提供了可靠的依据。通过对实验中观测到的增宽（弥散）谱线的指认,首次发现和指认了He2 b3Пg（v=9）态的预解离,获取了b3Пg（v=9）的转动能级同谱线线宽的依赖关系,讨论了b3Пg（v=9）态的预解离机制。本文根据Femi-Golden Rule理论计算了b3Пg（v=9）的转动能级的预解离线宽,理论计算同实验结果基本符合。CS2同He气在低温等离子体放电中生成CS+和CS瞬态分子。本文采用高灵敏和高分辨的OH-VMS光谱技术,并结合OH-CMS光谱技术作为辅助测量,研究了CS+A2П-X2∑+（2,1）带的光谱。通过对比OH-VMS和OH-CMS二者的光谱,排除了中性CS光谱对CS+离子跃迁的干扰。使用标准的2П-2∑哈密顿量模型通过非线性最小二乘方法对标识的182条谱线拟合,获得了A2П（v=2）的精确分子光谱常数。利用OH-CMS光谱技术测量了CSd3△-a3П在近红外波段的光谱,首次观测到a3П2-a3Пo态（12,0）带的泛频跃迁和a3П1的Λ-双分裂。指认了350多条谱线,得到了d3△（v=6）态和a3П（v=0）态的精确分子常数,基于获得的高精度分子常数对d3△（v=6）态进行了定量的去微扰分析。由于d3△（v=6）态受到的微扰比较复杂,有直接微扰（或称为一阶微扰）,也有相对较弱的二阶微扰。按照微扰的选择定则,有些微扰是一阶禁戒微扰,必须进行二阶微扰处理。本文根据一阶非简并微扰理论,对d3△（v=6）各个子能态的微扰机制,尤其是二阶微扰作用机制进行了详细的分析、讨论和计算,理论计算结果与实验测量一致。此外,为了解决腔增强光谱技术中激光进行频率扫描时光学谐振腔能一直保持同激光共振,本文提出了一种激光锁定F-P腔的伺服锁定技术。通过自动伺服控制系统将光学谐振腔的共振频率锁定在扫描的激光频率上。锁定后谐振腔的透射光功率起伏小于2%,每次锁定的范围2 GHz,当激光扫描范围超过2 GHz,伺服系统中断（小于120 MHz）后自动重新锁定,此技术为下一步进行高灵敏的腔增强光谱实验作了技术上的准备。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 瞬态分子光谱学研究简介
• 1.1.1 瞬态分子光谱学发展简介
• 1.1.2 瞬态分子光谱的激光测量技术简介
• 1.2 瞬态分子光谱动力学简介
• 1.3 本文的研究内容和章节安排
• 第二章 瞬态分子激光光谱实验
• 2.1 瞬态分子的生成系统
• 2.2 速度/浓度调制光谱技术和光外差探测技术
• 2.2.1 速度调制光谱
• 2.2.2 浓度度调制光谱
• 2.2.3 光外差探测技术
• 2.3 光外差速度/浓度调制激光光谱技术
• 2.4 小结
• 第三章 双原子分子光谱的基本理论
• 3.1 Born-Oppenheimer Approximation（波恩奥本海默近似）
• 3.2 双原子分子的振-转能级
• 3.3 双原子分子电子态以及转动同电子运动的耦合
• 3.3.1 双原子分子电子态
• 3.3.2 转动同电子运动的耦合
• 3.4 微扰和预解离
• 3.4.1 微扰
• 3.4.2 预解离
• 3.5 跃迁选择定则
• 3.6 分子能级和光谱结构
• 3.7 光谱数据的拟合
• 3.8 本章小结
• 2的光谱及预解离动力学分析'>第四章 He₂的光谱及预解离动力学分析
• 4.1 研究目的
• 4.2 实验
• 2c³∑_g⁺-a³∑_u+的振转光谱'>4.3 He₂c³∑_g⁺-a³∑_u+的振转光谱
• 4.3.1 研究背景
• 4.3.2 实验结果和分析
• 2b³П_g态υ=9的预解离光谱及其动力学分析'>4.4 He₂b³П_g态υ=9的预解离光谱及其动力学分析
• 4.4.1 研究背景
• 4.4.2 实验结果和讨论
• 4.4.3 预解离理论分析
• 4.5 小结
• +光谱与CS分子微扰动力学分析'>第五章 CS⁺光谱与CS分子微扰动力学分析
• 5.1 引言
• 5.2 具体实验细节
• +A²П-X²∑⁺（2,1）带光谱测量和分析'>5.3 CS⁺A²П-X²∑⁺（2,1）带光谱测量和分析
• 5.3.1 光谱测量
• 5.3.2 光谱标识
• 5.3.3 光谱拟合和讨论
• 3Δ（υ=6）的微扰动力学分析'>5.4 CSd³Δ（υ=6）的微扰动力学分析
• 5.4.1 实验数据和分析
• 5.4.2 讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 高灵敏腔增强光谱技术准备工作
• 6.1 腔增强光谱
• 6.2 谐振腔锁定技术
• 6.2.1 实验装置
• 6.2.2 控制原理
• 6.2.3 实验结果与讨论
• 6.3 小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 博士期间发表文章
• 致谢