激光锁频光腔衰荡光谱测量分子吸收谱线参数
发布时间：2020-04-07 03:31
【摘要】：高灵敏度的激光吸收光谱技术是开展分子光谱研究的重要实验手段,在基础科学研究以及痕量气体探测领域有着广泛的应用。光谱定量分析需要高精度的分子光谱参数(如谱线跃迁频率、跃迁强度、线宽、谱线线形等),而这些光谱参数主要来自于高精度的实验室测量。本文主要介绍应用激光锁频光腔衰荡光谱技术测量分子光谱参数的方法,并利用该技术实现了对CO2分子跃迁频率亚MHz精度的测量以及谱线强度好于0.85%精度的测量。此外我们也发展了集成化的光腔衰荡光谱装置并应用于痕量气体探测。本论文的主要内容如下:第一章简单介绍分子吸收光谱的基本理论,常见的高分辨吸收光谱技术和传统光腔衰荡光谱技术的原理。我们也简要回顾了本文采用的激光锁频光腔衰荡光谱技术的发展历史及其测量原理。第二章详细介绍激光锁频光腔衰荡光谱实验装置及实验方法。主要内容包括衰荡腔体的机械设计,实验光路的搭建以及衰荡光谱测量方法。实验结果表明该装置的极限探测灵敏度达到4.8 × 10-12 cm-1。为了补偿吸收气体折射率变化带来的色散效应,我们通过扫描腔模的方式获得了吸收气体的色散光谱。利用该装置示范性测量了 CO2分子在6470.42cm-1附近的光腔衰荡光谱,使用光频梳作为频率参考,我们实现了亚MHz的频率测量精度。我们也对比了色散光谱与光腔衰荡光谱的测量结果以及数据库相关光谱参数。第三章主要介绍利用激光锁频光腔衰荡光谱装置测量12C1602分子(30011-00001)带谱线强度的工作。目前部分谱线强度的实验测量相对精度和理论计算相对精度已经好于1%,然而在某些谱线带,不同理论强度计算值以及理论计算值与实验测量值之间的相对偏差远大于标称的精度,因此需要开展独立的高精度谱线强度测量。利用激光锁频光腔衰荡光谱装置,我们实现了精度好于0.85%的谱线强度测量,并与之前的测量结果以及最新的理论计算结果进行了对比。第四章介绍搭建的集成化光腔衰荡光谱装置,并用其开展痕量气体探测的工作。我们充分利用了光学衰荡腔的纵模本身可以做为频率参考的特性,发展了三套小型的集成化光谱装置。我们介绍了装置的设计以及测量痕量气体的结果,在此基础上评估了装置的性能。
【图文】：
通过测量辐射场经过样品池后的能量损失可以获得吸收光谱。由于各类逡逑分子具有不同的能级结构，因此测量特定波长的衰减可以识别不同的分子。如逡逑图１．〗所示，，根据Ｌａｍｂｅｒｔ－Ｂｅｅｒ定律，特定波长Ａ辐射场的透射强度Ｉｔ（Ａ）与入逡逑射强度１0（入）满足如下关系：逡逑Ｉｔ（Ａ）邋＝邋Ｉ0（Ａ）ｅ－ａ（Ａ）Ｌ逦（１－１）逡逑或逡逑ａ（Ａ）邋＝邋￣Ｉｌｎ逦（Ｌ２）逡逑其中，Ｌ为样品的吸收光程，ａ为分子吸收系数。对于孤立的吸收谱线：逡逑ａ（Ａ）邋＝邋ＮＳｃｐ（Ａ）逦（１．３）逡逑其中Ｎ为分子数密度，Ｓ为分子谱线强度，＜ｐ（Ａ）为分子吸收谱线线形函数。逡逑分子的吸收光谱主要包括三个重要参数：谱线跃迁频率，谱线强度，以及谱逡逑线线形。谱线跃迁频率Ｖｙ或者波长入Ｍ由跃迁的上下态能级差决定：逡逑ＡＥ邋＝邋Ｅ邋—邋Ｅ邋＝邋Ｋｖ＾ｊ邋＝邋Ｋｃ／Ａ＾ｊ逦（１．４）逡逑谱线强度表征的是跃迁的强度，两个振转态之间的谱线强度可以表示为：逡逑…Ｔ逦Ａ”邋ｇ＇Ｗ＇／Ｔ（１＿ｅ，／Ｔ）逡逑Ｓ（Ｔ）邋＝邋Ｉａ８＾逦Ｗ）逦逦（）逡逑Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｌｅｖｅｌｓ逡逑Ｉｎｃｉｄｅｎｔ邋．逦＾逦＾逦？邋Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ＾逡逑Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ邋Ｉ0邋？邋？邋？邋？逦？逦？邋？邋Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ邋Ｉｔ逡逑Ｈｉｇｈ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｌｅｖｅｌ逡逑ＩＩ邋幸邋Ｅ．逡逑ｉ邋ｉ邋ｉ逡逑—ＩＩ？逡逑ＩＩＩ逡逑Ａ邋，邋＼逦ｐ，逡逑０邋０邋０逦乜逡逑Ｌｏｗ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｌｅｖｅｌ逡逑图１．１：分子吸收光谱测量示意图
傅里叶变换光谱技术（Ｆｏｕｒｉｅｒ邋Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ邋Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，邋ＦＴＳ）是最为常见的分逡逑子吸收光谱技术之一，被广泛应用于高分辨的分子振转光谱研[偅郏保保保常菀约按箦义掀廴疚铮郏保矗澹保担菁拔率移寮嗖猓郏保叮荨＃疲裕拥牟饬吭砣缤迹保菜尽Ｍ贾校疲裕渝义瞎馄滓鞘褂昧寺蹩硕犯缮嬉堑慕峁埂Ｍü档脑硕梢愿谋浯佣岛途簿靛义戏瓷浠乩吹牧绞庵涞墓獬滩睿纱丝梢孕纬筛缮嫱夹藕牛
本文编号：2617392
【图文】：
通过测量辐射场经过样品池后的能量损失可以获得吸收光谱。由于各类逡逑分子具有不同的能级结构，因此测量特定波长的衰减可以识别不同的分子。如逡逑图１．〗所示，，根据Ｌａｍｂｅｒｔ－Ｂｅｅｒ定律，特定波长Ａ辐射场的透射强度Ｉｔ（Ａ）与入逡逑射强度１0（入）满足如下关系：逡逑Ｉｔ（Ａ）邋＝邋Ｉ0（Ａ）ｅ－ａ（Ａ）Ｌ逦（１－１）逡逑或逡逑ａ（Ａ）邋＝邋￣Ｉｌｎ逦（Ｌ２）逡逑其中，Ｌ为样品的吸收光程，ａ为分子吸收系数。对于孤立的吸收谱线：逡逑ａ（Ａ）邋＝邋ＮＳｃｐ（Ａ）逦（１．３）逡逑其中Ｎ为分子数密度，Ｓ为分子谱线强度，＜ｐ（Ａ）为分子吸收谱线线形函数。逡逑分子的吸收光谱主要包括三个重要参数：谱线跃迁频率，谱线强度，以及谱逡逑线线形。谱线跃迁频率Ｖｙ或者波长入Ｍ由跃迁的上下态能级差决定：逡逑ＡＥ邋＝邋Ｅ邋—邋Ｅ邋＝邋Ｋｖ＾ｊ邋＝邋Ｋｃ／Ａ＾ｊ逦（１．４）逡逑谱线强度表征的是跃迁的强度，两个振转态之间的谱线强度可以表示为：逡逑…Ｔ逦Ａ”邋ｇ＇Ｗ＇／Ｔ（１＿ｅ，／Ｔ）逡逑Ｓ（Ｔ）邋＝邋Ｉａ８＾逦Ｗ）逦逦（）逡逑Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｌｅｖｅｌｓ逡逑Ｉｎｃｉｄｅｎｔ邋．逦＾逦＾逦？邋Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ＾逡逑Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ邋Ｉ0邋？邋？邋？邋？逦？逦？邋？邋Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ邋Ｉｔ逡逑Ｈｉｇｈ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｌｅｖｅｌ逡逑ＩＩ邋幸邋Ｅ．逡逑ｉ邋ｉ邋ｉ逡逑—ＩＩ？逡逑ＩＩＩ逡逑Ａ邋，邋＼逦ｐ，逡逑０邋０邋０逦乜逡逑Ｌｏｗ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｌｅｖｅｌ逡逑图１．１：分子吸收光谱测量示意图
傅里叶变换光谱技术（Ｆｏｕｒｉｅｒ邋Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ邋Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，邋ＦＴＳ）是最为常见的分逡逑子吸收光谱技术之一，被广泛应用于高分辨的分子振转光谱研[偅郏保保保常菀约按箦义掀廴疚铮郏保矗澹保担菁拔率移寮嗖猓郏保叮荨＃疲裕拥牟饬吭砣缤迹保菜尽Ｍ贾校疲裕渝义瞎馄滓鞘褂昧寺蹩硕犯缮嬉堑慕峁埂Ｍü档脑硕梢愿谋浯佣岛途簿靛义戏瓷浠乩吹牧绞庵涞墓獬滩睿纱丝梢孕纬筛缮嫱夹藕牛
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