水汽分子碰撞加宽的理论研究

本文利用考虑短程强相互作用势、电四极矩_(H_2O)—电四极矩_(N_2)和电偶极矩_(H_2O)—电四极矩_(N_2)—相互作用的QFT理论(以下简称为QFT~*理论),计算了水汽分子纯转动带和_(v_2)振动带谱线的碰撞加宽线宽,以及v_(_2)振动带谱线线宽的温度依赖关系。结果表明:①利用QFT~*方法的计算值比Gamache等人的理论计算值更接近于实验值。③在计算水汽分子吸收谱线的氮分子碰撞加宽时,短程强相互作用势的影响是十分重要的,而电四极矩_(H_2O)—电四极矩_(N_2)相互作用的影响在任何情况下都是不大的,其贡献仅为1%左右。②压力加宽线宽的温度依赖关系是十分复杂的,字不仅与J有关,而且还与K_α有关。     

2.0 μm处CO2高温谱线参数测量研究

研究高温下待测气体的谱线属性, 如谱线强度、自加宽系数、空气加宽系数、温度系数等, 为高温环境中可调谐半导体激光吸收光谱技术反演温度、浓度、速度及其场分布提高精度和可靠性起着十分重要的作用. HITEMP数据库中的数据基本上是理论计算结果, 与实际情况存在相当的误差. 为了获得所选2.0 μm处的可用于燃烧诊断的CO₂谱线参数, 本文采用半导体激光器作为光源, 结合实验室的高温测量系统, 记录了700–1300 K温度范围内所选谱线的高温吸收光谱, 获得了各谱线在相应温度下的谱线强度、自展宽系数及温度系数等谱线参数. 测量得到CO₂的5006.978 cm^-1和5007.7874 cm^-1谱线强度与理论计算值相对误差小于11%; 获得了现有数据库缺少的温度系数和高温下自展宽系数数据. 所有各项参数对以后将要进行的燃烧诊断中的CO₂浓度检测有很大帮助. 关键词： 可调谐半导体激光吸收光谱 高温光谱 自展宽系数 温度系数     

1.31μm附近水汽分子的自加宽系数、氮气加宽系数的测量

采用窄线宽二极管激光器与1 km的怀特池相结合来提高光谱探测灵敏度,最小可探测谱线吸收强度为10-27cm-1/(molecule.cm-2)。根据记录的光谱数据精确计算出7599~7616 cm-1波段内水汽分子的谱线强度、自加宽系数和氮气加宽系数,实验结果与HITRAN96和HITRAN2004数据库进行了比较,存在一些差异。测量的谱线参量与HITRAN96相接近,与HITRAN2004相差较大,有7条HITRAN96中没有的新谱线被观测,有5条在HITRAN2004数据库中被证实,另外观测到2条谱线在HITRAN96中被列出,而在HITRAN2004没有给出。     

水汽分子对CO_2谱线加宽的影响

报道了以高分辨力连续可调谐中红外差频激光为探测光源,结合可调长光程怀特池,利用直接吸收的方法探测了CO2的10011←10002带R支以及部分P支在室温下的水汽加宽吸收光谱。在2422cm-1到2457cm-1范围内共有26条吸收谱线被探测到,采用Voigt线型对吸收谱线进行拟合,得到了CO2光谱的水汽加宽系数,结果显示CO2的水汽加宽系数平均比干燥空气的加宽系数大52%。利用实验测得的CO2的水汽加宽系数与HITRAN04数据库中CO2谱线的线位置、线强和干燥的空气加宽系数进行比较,分析了在实际大气中(海平面,10km光程)不存在水汽和存在水汽(含有2.0kPa水汽)时该波段CO2的大气透过率,结果表明潮湿空气与干燥空气之间的最大透过率差约为0.5‰。     

2 μm附近CO2谱线参数测量及应用

吸收光谱技术用于痕量气体浓度监测,特别是在气体分子稳定同位素丰度探测中,吸收谱线参数的准确性非常重要,目前普遍使用的HITRAN数据库中给出的各项参数具有一定的不确定性。为利用2.0 μm激光波段进行CO₂浓度及其同位素丰度探测,需要对该波段的CO₂吸收谱线参数进行校准,采用窄线宽分布反馈式二极管激光器作为光源,结合自行搭建的谱线参数测量系统,采集了2.0 μm波段10条CO₂吸收谱线,获得了各谱线的位置、强度、自加宽系数和N₂加宽系数,并与HITRAN2012数据库中相应的数据进行对比发现两者之间吻合较好,CO₂谱线强度和自加宽系数相对偏差均小于2%。实测实验室大气的CO₂浓度为440 ppm,13CO₂的丰度值δ为-9‰。测量结果为该波段应用于CO₂浓度及13CO₂同位素丰度的实时在线探测提供了重要参考依据。     

高灵敏度离轴积分腔输出光谱技术

利用离轴积分腔输出光谱技术,采用同时扫描激光和谐振腔腔长的方法,使用分布反馈布拉格二极管激光器探测了1.573μm附近CO2的吸收光谱,得到很好的信噪比和灵敏度,探测灵敏度达到4×10-8cm-1(信噪比为2,1 s积分时间)。用非线性最小二乘拟合吸收谱线方法对积分腔输出光谱已经不再适用,会造成自加宽系数变宽为实际自加宽系数的2.39倍左右,对空气加宽系数测量影响较小。为了得到正确的谱线线宽参量,应该对吸收系数进行拟合,该结论从理论和实验上得到了证明。     

1.573μm处CO_2高温谱线参数研究

在吸收光谱测量,特别是高温光谱测量中,吸收分子谱线参数的准确性非常重要,目前普遍使用的HITRAN/HITEMP2004数据库中给出的各项参数具有一定的不确定性,为了对所选1.573μm处的9条可用于燃烧诊断的CO2谱线参数进行校准,文章采用窄线宽二极管激光器作为光源,结合自行搭建的实验室高温测量系统,记录了300～800 K温度范围内所选谱线的高温吸收光谱,获得了各谱线在相应温度下的谱线强度、空气加宽系数及其温度指数等谱线参数.通过实验结果与HITRAN/HITEMP2004数据库中数据间的对比发现两者之间吻合较好,其中谱线强度相对偏差小于3%,空气加宽系数及其温度指数相对偏差分别小于5%和2%.所有各项参数对以后将要进行的燃烧诊断中的CO2浓度监测会有很大帮助.     

YNbO_4粉末材料中Er~(3+)发光研究及其光谱性质J-O计算

为了研究Er~(3+)/Yb~(3+)共掺杂YNb O4粉末材料上转换发光特性,采用J-O理论计算了该材料的光谱性质。根据吸收谱各吸收峰面积拟合出谱线强度参数,并根据谱线强度参数计算出理论振子强度和实验振子强度,得到两者均方差为δrms=3.916×10-7。计算了YNb O4粉末材料中Er~(3+)粒子的跃迁几率、跃迁分支比及能级寿命等参数,并计算得到了Er~(3+)离子从能级2H11/2、4S3/2和4F9/2到基态辐射跃迁的受激发射截面。研究结果表明YNb O4材料是一种优良的上转换基质材料。     

室温下1.3μm附近CO2的高灵敏度半导体激光吸收光谱

用DFB（分布反馈）半导体激光器结合波长调制吸收光谱技术观测了CO2在1.31μm附近的泛频吸收光谱，并获得的相应的光谱参数（如：谱线位置，谱线强度以及自加宽系数），同时发现了15条弱的新谱线。在665 Pa压力下，本实验可探测的最弱谱线是2.25163′10-27 cm-1/(molecule×cm-2)，相应的吸收是3.88′10-8。     

1.39 μm附近H2O谱线参数测量及其在燃烧动力学中的应用

将可调谐半导体激光吸收光谱技术应用于高温气体浓度在线检测,谱线参数的准确性非常重要。为利用红外波段进行燃烧生成H₂O的浓度在线测量,需要实验校准H₂O的谱线参数,尤其是Ar加宽系数,该系数对燃烧反应速率测量和机理验证至关重要。采用半导体激光器作为光源,结合实验室搭建的谱线参数测量系统,采集了1.39 μm波段附近H₂O的4条吸收谱线信号,获得了谱线线强、自加宽系数和N₂加宽系数,与HITRAN数据库和文献结果进行了对比,均吻合较好。首次系统地获得了该波段谱线的Ar加宽系数。在谱线参数确定基础上,获得了在反射激波高温条件下H₂/O₂/Ar燃烧生成H₂O的浓度随时间的演变曲线,验证了相应燃烧动力学机理。结果为利用该波段进行含氢燃料燃烧过程H₂O浓度测量及相关高温燃烧动力学研究提供了可靠的实验依据。     

1.517 μm附近水汽分子谱线加宽系数的腔衰荡光谱测量

 以超低膨胀系数微晶玻璃为腔体,以分布反馈式激光器为光源,建立了一套等噪声测量灵敏度为3.2×10^-9 cm^-1的调腔式连续波腔衰荡光谱系统。应用该系统对1.517 μm附近(6 586.5~6 596.5 cm^-1范围内)的7条水汽吸收谱线进行了实验研究,测得了这些谱线在氮气、空气环境下的谱线加宽系数。根据测得的结果,得到了此波段水汽的空气加宽系数与氮气加宽系数之比为0.896 9±0.068 7(3倍标准误差范围内),并就测得水汽的谱线加宽系数与HITRAN2004数据库数据进行了比较。     

13CH4分子v3振动带空气和氮气加宽系数温度依赖性研究

采用中红外波段连续可调谐二极管激光器和自行研制的低温吸收池, 测量了温度为296 K, 252 K, 213 K, 173 K时, 3.38 μm附近¹³CH₄分子的四条跃迁谱线的氮气和空气加宽光谱; 首次通过实验获得空气和氮气对¹³CH₄分子的碰撞加宽系数, 以及谱线加宽系数的温度依赖系数. 实验过程中, 利用Voigt线型对所测量的光谱进行拟合. 实验结果表明, 氮气和空气对¹³CH₄分子的碰撞诱导加宽系数随温度的降低而增大; 相同温度下, 氮气对¹³CH₄分子的碰撞加宽系数普遍大于空气加宽系数. 实验数据为地球和外星体大气遥感探测提供了依据.     

Er:YCa4O(BO3)3光谱参数的计算及分析

测定了Er:YCa4O(BO3 ) 3 晶体室温下的吸收谱。根据Judd Ofelt理论拟合了Er3 离子的晶体场调节参数Ωt=(2 ,4 ,6 ) 分别为 19 2 0 4 9× 10 -2 2 ,5 992 0× 10 -2 2 和 4 3334× 10 -2 2 cm2 ,计算了各能级跃迁的谱线强度、自发辐射跃迁几率、辐射寿命、荧光分支比和积分发射横截面 ,并对结果作了分析。最后讨论了Yb3 的敏化作用。     

三次谐波的再吸收和AC Stark效应对CO的三光子共振多光子电离光…

本文报道了三光子共振条件下ＣＯ的Ａ＾１П←Ｘ＾１Σ＾＋跃迁的多光子电离光谱。并研究了谱线强度的反常压力效应以及谱线的位移和不对称加宽。通过园偏振激光实验，证实了此光谱来源于ＣＯ分子吸收其自身介质中的激光诱导的三次谐波；并利用相位匹配条件在理论上解释了实验中所观察到的谱线强度的反常压力效应。与此同时，研究了ＡＣＳｔａｒｋ效应引起的谱线位移和不对称加宽。并首次对此效应进行了定量计算，其结果和实验观测值     

917～945nm水汽吸收线线强度和空气加宽系数测量

利用连续波窄带可调谐钛宝石激光器和长光程吸收池测量了９１７～９４５ｎｍ６０余条水汽吸收线的强度和空气加宽系数。线强度测量精度优于４％，加宽系数测量精度优于６％。线强度结果和Ｃｈｅｖｉｌａｒｄ等的测量结果比较，比值为０．９８６±０．０６８５，符合得较好。空气加宽系数和Ｈｉｔｒａｎ－９２数据库比较，比值为０．９０６±０．１６４，存在较大的偏差     

非弹性电子隧道谱(IETS)最佳测量条件的选择

本文在同时考虑IETS的谱线热加宽和调制加宽的基础上,计算了IETS的谱线峰值D与半高宽度Γ.得出谱线峰值D,半高宽度Γ与参量的依赖关系,从而得到测量IETS的最佳测量条件。     

火焰中N_2分子CARS谱及温度测量

本文实现了对乙炔/空气火焰中N_2分子CARS谱的测量,同时也进行了N_2分子CARS谱的理论计算,通过实验测量与理论计算比较,确定了火焰的温度.其结果与我们用OH基荧光方法测量的结果基本符合.     

基于发射光谱的DF激光器光腔温度与粒子数分布

 建立了谱线增益系数与温度、粒子数分布之间及谱线增益系数与谱线强度之间的关系式,对一台燃烧驱动DF激光器的发射光谱进行了测量,利用发射光谱数据计算得到光腔温度为381.4 K,分布在振动态能级1与0,振动能级2与1,振动能级3与2的粒子数之比分别为0.60～0.62, 0.676 4, 0.71～0.74。     

基于7.6μm量子级联激光的光声光谱探测N_2O气体

近年来,气候变化对地球的生态环境产生严重影响,而大气温室气体在气候变化中具有重要的作用.一氧化二氮(N_2O)作为一种重要的温室气体,其浓度变化对大气环境产生重要影响,因此对其浓度的探测在大气环境研究中具有重要意义.本文开展了基于中国自主研发的7.6μm中红外量子级联激光的共振型光声光谱探测N_2O的研究,建立了N_2O光声光谱传感实验系统.此系统在传统的光声光谱探测的基础上优化改进,采用双光束增强的方式,增加了有效光功率,进一步提高了系统的探测灵敏度.探测系统以1307.66 cm~(-1)处的N_2O吸收谱线作为探测对象,结合波长调制技术对N_2O气体进行探测研究.通过对一定浓度的N_2O气体在不同调制频率和调制振幅的光声信号的探测,确定了系统的最佳调制频率和调制振幅分别为800 Hz和90 mV.在最优实验条件下对不同浓度的N_2O气体进行了测量,获得了系统的信号浓度定标曲线.实验表明,在锁相积分时间为30 ms时,系统的浓度探测极限为150×10~(-9).通过100次平均后,系统噪声进一步降低,实现了大气N_2O的探测,浓度探测极限达到了37×10~(-9).     

水汽多线光声光谱中压力线位移及加宽系数的分析

本工作从水汽的多线光声光谱中分析得到压力线位移和加宽系数。为了提高系数的精度和拟合效率，采用了Ｖｏｉｇｔ线型和参数分组约束优化方法。