稳频激光光腔衰荡光谱技术的方法及应用.doc

稳频激光光腔衰荡光谱技术的方法及应用分子的吸收光谱，可以获得分子内部和分子间相互作用的信息，例如分子的结构、能级、跃迁矩等。随着激光技术的不断发展，吸收光谱技术也朝着高灵敏度、高分辨率方向发展。在理论研究和实际应用方面，分子吸收光谱都有着极其广泛的应用。本论文分四章：第一章对分子吸收光谱的理论、当前常用的激光吸收光谱技术进行简介。第二章介绍光腔衰荡光谱技术（CRDS）的原理和发展现状，讨论基于激光锁频和锁腔技术的稳频激光光腔衰荡光谱仪。第三章介绍利用CRDS研究CO₂分子（17）^O或（18）^O取代的同位素分子的近红外高泛频振转跃迁光谱。在第四章中，介绍利用CRDS技术研究了0.8μm附近氢分子的电四极矩跃迁，实验测量精度达到并超过了QED高阶修正的理论计算精度。光腔衰荡光谱（CRDS）技术具有很大的有效吸收长度（几十公里），并且不受探测光功率波动影响，所以具有很高的探测灵敏度；但是很多应用中还需要同时具有很高的光谱分辨率（频率精度）。我们发展了一套借助于超稳标准具的激光锁频的光腔衰荡光谱（LL-CRDS）技术，在具有高探测灵敏度的同时，达到了亚MHz的绝对频率精度。该方法中需要综合利用光学模式匹配、调制解调和反馈控制等技术。对水分子吸收光谱的研究，显示了该光谱仪的测量能力。二氧化碳是最重要的温室气体，它也是一些行星（例如火星和金星）大气的主要成分，近红外的CO₂光谱对行星大气的同位素丰度和云层光学厚度等的研究非常重要，但是目前CO₂同位素的近红外振转光谱的实验研究存在很大的空白。本章主要研究了CO₂分子（17）^O或（18）^O取代的同位素分子的振转跃迁光谱。实验中我们对约400条谱线进行了分析，得到了10⁰52和10⁰51等谱带的光谱参数。氢气是最简单的中性分子，也是检验各种量子化学理论和计算方法的最佳体系之一。我们利用恒温超稳的Fabry-Perot标准具，将频率的测量精度提高到亚MHz水平，用CRDS方法测量了H₂分子电子基态第二泛频的电四极矩跃迁光谱。通过线型拟合，我们得到了谱线的强度、位置、压力位移和加宽、Dick收缩效应等信息。所得到的谱线强度的误差达到了1%以下，和理论预测值的偏差由以前文献所报道的10-30%降低到约2%，目前偏差的主要来源在于描述分子间碰撞的线型函数模型。利用Rb原子795nm吸收线，S（3）跃迁线的绝对频率被测定到1.6MHz精度（4ppb），为迄今所得到的最精确的H₂跃迁。