甲烷氣體分子高靈敏高分辨吸收光譜的理論與實(shí)驗(yàn)研究

【摘要】：本論文主要就高靈敏、高分辨探測(cè)氣體分子吸收光譜進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。利用外腔可調(diào)諧二極管激光對(duì)甲烷氣體分子2ν_3振動(dòng)吸收帶R9支八條吸收線線強(qiáng)度、壓力誘導(dǎo)展寬和壓力誘導(dǎo)頻移等吸收線參數(shù)進(jìn)行了高精度的測(cè)量。利用波長(zhǎng)調(diào)制和諧波探測(cè)技術(shù)對(duì)頻率位于6105.626cm~(-1)附近的兩條間隔僅6MHz的F1、F2吸收雙線進(jìn)行高靈敏檢測(cè),從理論和實(shí)驗(yàn)上同時(shí)分析了影響本實(shí)驗(yàn)靈敏度主要噪聲原因?？紤]了這些噪聲因素后,獲得了最小探測(cè)靈敏度。另外采用共焦FP腔和激光耦合原理結(jié)合光與分子相互作用理論,數(shù)值分析了影響腔增強(qiáng)以及腔飽和光譜的一些因素,最后對(duì)腔飽和光譜進(jìn)行了預(yù)研,初步建立了實(shí)現(xiàn)腔飽和光譜的實(shí)驗(yàn)方案。 論文就以上內(nèi)容分成六章進(jìn)行了闡述。第一章為引言部分,介紹了主要應(yīng)用于分子光譜領(lǐng)域的高靈敏、高分辨技術(shù),引出了本文要研究的內(nèi)容。第二章對(duì)飽和吸收光譜的理論進(jìn)行了詳細(xì)的歸納總結(jié),主要從最基本的吸收線的展寬和壓窄效應(yīng)出發(fā),分析了引起展寬的多種因素,最后給出了飽和光譜的一般的理論描述。第三章首先分析了波長(zhǎng)調(diào)制和諧波探測(cè)這種高靈敏檢測(cè)技術(shù)的基本原理,從理論上分析了激光能量起伏對(duì)這種高靈敏檢測(cè)技術(shù)的影響,同時(shí)提出了簡(jiǎn)單的解決方案,最后從理論模擬腔共振效應(yīng)的諧波信號(hào)為基礎(chǔ),分析其對(duì)這種高靈敏檢測(cè)技術(shù)的影響。第四章針對(duì)本文研究的2ν_3帶R9支的八條吸收線的結(jié)基本參數(shù)進(jìn)行了分析,首先描述了甲烷分子的基本結(jié)構(gòu)、振動(dòng)模式、配分函數(shù)以及近紅外吸收光譜等,利用直接吸收光譜結(jié)合諧波探測(cè)技術(shù)測(cè)量了這八條線的吸收線強(qiáng)度以及F1、F2吸收雙線的壓力展寬和壓力頻移系數(shù),最后對(duì)頻率穩(wěn)定到甲烷吸收線的性能進(jìn)行了研究,這些都為建立高靈敏檢測(cè)瓦斯氣體提供必要的數(shù)據(jù)。第五章結(jié)合第三章的理論分析,從實(shí)驗(yàn)上消除了背景起伏對(duì)諧波信號(hào)的影響,分析了影響本實(shí)驗(yàn)靈敏度的主要噪聲—腔共振效應(yīng),通過(guò)測(cè)量接近探測(cè)極限的低濃度甲烷氣體的諧波信號(hào)以及腔共振效應(yīng)噪聲隨調(diào)制幅度的變化關(guān)系,選擇了具有最佳信噪比的最佳調(diào)制幅度,最后在消除背景起伏對(duì)諧波信號(hào)的影響以及采用最佳的調(diào) 【關(guān)鍵詞】：甲烷分子光譜 振轉(zhuǎn)吸收帶 波長(zhǎng)調(diào)制和諧波探測(cè)技術(shù) 腔飽和光譜技術(shù) 腔共振效應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：山西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2005
【分類號(hào)】：O433.5
【目錄】：

• 目錄4-12
• 摘要12-18
• 第一章 引言18-32
• 1．1 激光光譜學(xué)概況18-19
• 1．2 高靈敏激光光譜技術(shù)19-24
• 1．2．1 直接吸收光譜技術(shù)19-20
• 1．2．2 調(diào)制光譜技術(shù)20-21
• 1．2．3 腔增強(qiáng)吸收光譜技術(shù)21-22
• 1．2．4 差分吸收及掃描平均技術(shù)22
• 1．2．5 光聲光譜技術(shù)22-24
• 1．3 高分辨激光光譜技術(shù)24-29
• 1．3．1 準(zhǔn)直分子束光譜技術(shù)24-25
• 1．3．2 飽和光譜技術(shù)25-27
• 1．3．3 量子拍光譜技術(shù)27-28
• 1．3．4 雙光子無(wú)多普勒光譜技術(shù)28-29
• 1．4 本文主要研究的內(nèi)容29
• 參考文獻(xiàn)29-32
• 第二章 飽和吸收光譜理論32-60
• 2．1 收線展寬機(jī)制32-45
• 2．1．1 均勻展寬32-40
• 2．1．2 非均勻展寬40-43
• 2．1．3 彈性碰撞43-45
• 2．2 飽和吸收光譜理論與技術(shù)45-56
• 2．2．1 飽和吸收光譜理論45-53
• 2．2．2 飽和光譜技術(shù)及應(yīng)用53-56
• 本章小結(jié)56
• 參考文獻(xiàn)56-60
• 第三章 調(diào)制光譜與諧波探測(cè)技術(shù)的理論分析60-78
• 3．1 波長(zhǎng)調(diào)制光譜與頻率調(diào)制光譜60-63
• 3．2 諧波探測(cè)理論63-66
• 3．3 激光能量起伏對(duì)波長(zhǎng)調(diào)制光譜的影響66-73
• 3．3．1 殘余幅度調(diào)制66-67
• 3．3．2 組合幅度調(diào)制和波長(zhǎng)調(diào)制的諧波探測(cè)理論67-71
• 3．3．3 消除背景起伏對(duì)諧波信號(hào)影響71-73
• 3．4 腔共振效應(yīng)對(duì)波長(zhǎng)調(diào)制光譜的影響73-76
• 本章小結(jié)76
• 參考文獻(xiàn)76-78
• 第四章 甲烷氣體分子2v_3帶R9支吸收線參數(shù)的高精度測(cè)量78-106
• 4．1 分子光譜理論初步78-81
• 4．1．1 Born-Oppenheimer近似78-80
• 4．1．2 振轉(zhuǎn)光譜80-81
• 4．2 甲烷分子近紅外吸收光譜81-85
• 4．2．1 甲烷分子結(jié)構(gòu)81-82
• 4．2．2 振動(dòng)與對(duì)稱82
• 4．2．3 近紅外光譜82-84
• 4．2．4 配分函數(shù)84-85
• 4．3 定量吸收光譜85-87
• 4．3．1 Beer-Lambert定律85
• 4．3．2 吸收線強(qiáng)度85-87
• 4．3．3 壓力展寬和壓力頻移系數(shù)的測(cè)量87
• 4．4 TEC500型外腔二極管激光器特性討論87-90
• 4．4．1 Littman外腔式二極管激光器的工作原理87-88
• 4．4．2 TEC500型外腔二極管激光器的電壓調(diào)制率的測(cè)量88-90
• 4．5 吸收線參數(shù)的測(cè)量90-104
• 4．5．1 吸收線強(qiáng)度的測(cè)量90-95
• 4．5．2 壓力展寬和壓力頻移系數(shù)的測(cè)量95-100
• 4．5．3 穩(wěn)定激光器頻率到甲烷吸收線100-104
• 本章小結(jié)104
• 參考文獻(xiàn)104-106
• 第五章 高靈敏探測(cè)甲烷氣體的實(shí)驗(yàn)研究106-120
• 5．1 消除激光能量起伏對(duì)諧波探測(cè)靈敏度影響的實(shí)驗(yàn)研究106-109
• 5．1．1 幅度調(diào)制和頻率調(diào)制之間相位差φ的測(cè)量106-109
• 5．1．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論109
• 5．2 腔共振效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究109-111
• 5．3 高靈敏探測(cè)微量甲烷氣體的實(shí)驗(yàn)研究111-118
• 5．3．1 實(shí)驗(yàn)裝置與技術(shù)112-113
• 5．3．2 最小探測(cè)靈敏度的分析113-118
• 5．3．3 所測(cè)頻率范圍內(nèi)其它氣體吸收線的討論118
• 本章小結(jié)118
• 參考文獻(xiàn)118-120
• 第六章 高分辨分子飽和吸收光譜研究120-140
• 6．1 弱分子內(nèi)腔飽和譜的理論分析121-130
• 6．1．1 FP腔光場(chǎng)的理論描述121-123
• 6．1．2 腔內(nèi)存在吸收介質(zhì)時(shí)的共焦FP腔理論123-124
• 6．1．3 腔增強(qiáng)吸收的理論分析124-126
• 6．1．4 腔飽和吸收的理論分析126-127
• 6．1．5 甲烷分子腔飽和譜的數(shù)值模擬127-130
• 6．2 鎖定激光器頻率到高精度 FP腔共振峰130-135
• 6．2．1 Pound-Drever-Hall鎖頻技術(shù)的相關(guān)理論131-133
• 6．2．2 Pound-Drever-Hall鎖頻技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究133-135
• 6．3 月空飽和吸收光譜的實(shí)驗(yàn)預(yù)研135-137
• 6．3．1 腔飽和吸收光譜的實(shí)驗(yàn)方案135-136
• 6．3．2 腔飽和吸收光譜的測(cè)量結(jié)果及分析136-137
• 本章小結(jié)137-138
• 參考文獻(xiàn)138-140
• 全文總結(jié)及今后工作展望140-142
• 博士期間完成的科研論文142-144
• 博士期間參與的科研項(xiàng)目和專利144-145
• 致謝145-146
• 承諾書(shū)146

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