（光学专业论文）新型超声喷射中红外二极管激光光谱装置的研制.pdfVIP

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 超声分子束技术是分子光谱学、化学反应动力学、新物质与材料制备等领域非 常重要的实验手段。当超声分子束技术和激光光谱技术相结合进行高分辨分子光谱 研究时，可以大大简化分子光谱，并获得更窄的光谱线。 本文的主要工作是搭建了一套配有像散型多程吸收池的脉冲超声喷射中红外 激光光谱装置，并利用l a b e w 程序编写了整套实验设备的控制程序，实现了从激 光器电流扫描到光谱数据采集、同步显示和保存的全自动化。这套设备最大的特点 是首次采用了可调节的像散型多程吸收池，因此在增加光程和提高光束密度等方面 比其它类型的多程吸收池更胜一筹。 最后，利用心和n 2 0 的混合气体超声喷射形成的触一n 2 0 范德瓦尔斯分子对 整套设备的工作性能进行了详细的测试，结果表明该套设备工作稳定，具有很高的 光谱分辨率和灵敏度，基本达到预期设计要求，为进一步开展范德瓦尔斯复合物和 团簇的高分辨光谱研究奠定了基础。 关键词：超声喷射；像散型多程吸收池；中红外激光光谱；范德瓦尔斯复合物 a b s t r a c t s u p e r s o n i cj e te x p a n s i o ni sav e 可i m p o r t a n tt e c h n i q u ei nm 0 1 e c u l a rs p e c 仃o s c o p m d l e m i c a lr e a c t i o nd ”1 锄i c sa n dn e wm a t 丽a l p r e p a r a t i o n 孤l df a b r i c a t i o n w h 饥 s u p e r s o i l i cj e te x p a n s i o nc o m b i n e sw i m1 2 u s e rs p e c t r o s c o p y ，i tc a i lb eu s e dt os i i n p l i 母t h e m 0 1 e c u i a rs p e c t m mg r e a t l ya n dg e tm o r es h a 印e rs p e c t r a l l i n e s 。 t h ec o n s t r u c t i o no fan o v e lm i d i n 仔a r e dd i o d e1 a s e rs p e c t r o m e t e rc o m b i n e dw i m t h es u p e r s o n i cj e te x p a n s i o na n da na s t i 班a t i cm u l t i - p a s sc e uh a u sb e e nd e s c r i b e di nt h i s d i s s e r t a t i o n al a b e wc o m r o lp r o 目锄h a sb e e nw r i t t e nf o rt h es p e c t r o m e t 瓯t h es c a n o fm ec u r r e l l to fd i o d e1 a s m ea c q u i r e m e n to fa b s o 叩t i o ns i 盟a l s ，m es y n c h r o n o u s d i s p l a ya n da u t o s a v eo f t h es p e 咖mc a nb ec o n t r o l l e ds i m u l t a n e o u s l yb yt h i sp r o 目锄 t h em a i nf e a t u r eo ft h i ss p e c t r o m e t e ri st h ei n t r o d u c t i o no f 锄a d j u s t d b l ea s t i g m a t i c m u l t i p a s sc e 玎i n s i d et h es u p e r s o n i cj e tv a c u u mc h a m b w 1 1 i c hh a s al o to fa d v a i l t a g e s c o m p a r e dw i mo m e rt y p e so fm u l t i p a s sc e l l s ，i e ，i ni n c r e a s i n g 廿1 ea b s o r p t i o nl e n g t h a 1 1 db e 锄d e n s i t y t h ea r n 2 0v 抽d e rw a a l sc o m p l e x e sf o 册e di nt h es u p e r s o n i cj e te x p a l l s i o nw i t h 时a i l dn 2 0h a sb e e nu s e dt oe v a l u a t em ep e r f o m l a n c eo fm i ss p e c t r o m e t 既1 1 1 er e s u l t s h o w sm a tm es p e c t r o m e t e rw o r k sw e ua n dh a sav e r yh i 曲r e s o l u t i o na n ds e n s i t i v i t y t h i ss p e c 仃o m e t e rc a j lb eu s e df o rn 】n h e rs t u d i e so fl l i 曲r e s o l u t i o ns p e c 咖o f v a nd e r 飘t 魄i sc o m p l e x e sa n dd u s t e r s k e y w o r d s ： s u p e r s o n i c j c t ；a s t i g m a t i cm u l t i p a s sc e l l s ； m i d - i n 缸e dl a u s e r s p e c 昀s c o p y ；v hd e rw 施l sc o n l p l e x e s 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 日期：年月 日 导师签名： 日期：年月 日 本人已经认真阅读! c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程5 ，同意将本人的 学位论文提交! c a l i s 高校学位论文全文数据库5 中全文发布，并可按! 章程5 中的规 定享受相关权益。回意途塞逞銮压进卮；坠坐生；坠= 生；坠三生筮查! 作者签名： 日期：年月日 导师签名： 日期：年月 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第一章绪论 1 1 超声分子束的研究历史及现状 首先让我们了解一下分子束的基本概念。 分子束指的是气体分子由高压区( 气源室，s o u r c ec h 锄b e r ) 经过小孔或喷嘴 ( n o z z l e ) 绝热膨胀进入低压区( 膨胀室，e x p a n s i o nc h a m b e r ) 时，压力差将驱使分子以 一定速度喷射出来并绝热膨胀。真空腔中的低气压条件一般由多级真空泵不断向外 抽气维持，使用适当速率的泵，分子束定向运动速度可达每秒千米，故又得名为超 声分子束( s u p e r s o n i cj e t ) 。 分子束的发展经历了连续射流和脉冲喷射两个阶段，也可以说是两种类型。连 续射流由于其喷束强度较低，气体分子的速度分布比较分散，对真空系统要求非常 高，已经很少使用。1 9 7 8 年，g e n t 巧和g i e s e 首次设计并制造出了脉宽为1 0 u s 的 脉冲喷嘴，实现了真正意义上的脉冲喷射。脉冲喷射一般指分子束阀门以脉冲方式 开关而形成脉冲分子束的技术。使用脉冲分子束的其中一个明显的好处是气体是间 歇的喷入真空系统，因而可以极大的降低真空系统的负担，简化真空系统和降低对 真空泵的要求。相反的，在真空系统不变的情况下，我们可以提高源气压或者增大 喷嘴出口直径从而获得更大的分子束强度。更为重要的是，使用脉冲分子束相对连 续分子束来讲可以很大程度的提高信噪比，因为信噪比依赖于分子束强度与真空背 景分压的比例。考虑到脉冲喷射条件下，某一时刻的分子束强度与这一时刻背景真 空度的关系，很明显脉冲分子束相对连续分子束而言信噪比可以大大提高。所以目 前脉冲分子束技术成为普遍使用的实验方法。 对于分子束的研究历史最早可以追溯到1 9 11 年，法国物理学家d u l l o y e r 第一次 设计并制成了分子束装置。到了1 9 2 0 年，德国著名物理学家斯特恩( s t 锄) 以创造性 的方法将分子束技术应用到分子、原子和原子核特性的研究中，并于1 9 2 2 年在汉堡 大学建立了第一个研究分子束的研究所。当时，实验的困难主要来自真空系统，因 为分子束实验对真空要求相当高，那时的高真空技术还不够成熟。尽管如此，此后 许多关于分子束的研究仍然获得了较好的发展。斯特恩也因发展了分子束方法并发 现了质子的磁矩而获得1 9 4 3 年诺贝尔物理学奖。 早期的分子束由于喷束强度较弱，实用性受到了一定的限制。直到1 9 5 1 年， w i z t 和g r e y 改善了分子束装置，用一个正对气体射流的顶端带小孔的锥形孔 硕士学位论文 m a s t e r st l e s i s 代替了以前简单的圆孔状泻流孔，实现了高强度的超声分子束技术 1 - 2 。1 9 6 9 年， y t l e e 等人成功地将质谱仪用于分子束反应的研究中 3 】。从此，分子束方法作为在 化学领域的一种新技术，逐步开始试验和发展，并在交叉分子束实验手段的基础上 发展成为研究化学反应动力学有力的工具。美籍华人李远哲所设计的! 分子束碰撞 器5 与! 离子束碰撞器5 使人们能分析各种化学反应的每一阶段的过程，在分子水平上 研究化学反应所出现的各种状态，为化学动力学研究开辟了新的领域，为控制化学 反应的方向和过程提供了广阔的前景，因此获得了1 9 8 6 年诺贝尔化学奖。可以说， 超声分子束技术真正的发展是源于激光技术的出现。七十年代，主要有日e m p e r e r 小组 4 6 采用微波和射频技术研究范德瓦尔斯( v hd e rw a a l s ) 分子以及氢键聚合 物。8 0 年代发展的激光诱导荧光技术( l i f l a s i n d u c e df l u o r e s c e n c e ) 是通过可调 谐激光将样品激发至高能态，通过检测其向基态跃迁过程中所发射的荧光来确定样 品的方法。例如，s m a l l e y 、胁耐o n 和l e v y 等人 7 9 利用激光诱导荧光( l i f ) 方法研 究n 0 2 和1 2 以及一些范德瓦尔斯分子，获得这类分子的结构、振动预解离寿命和光 解产物态分布等多种信息。 超声分子束技术与激光的结合，使得分子光谱的测量获得了巨大的发展。1 9 7 4 年s m a l l e y 1 0 等人用超声分子束对5 的n 0 2 止虹混合气体的荧光光谱进行了测量，由 于致冷效应，n 0 2 分子仅在二个最低能级上有布居，转动温度为3 k ，平移温度为2 k ， 极大地简化了复杂的光谱。1 9 9 1 年d e l o n 和j o s t 采用了分子束光谱技术，结合激光诱 导荧光光谱技术实现了对n 0 2 分子光谱比较全面的分析 1 1 】。同年，h u b e r 等人用小 型超声分子束的冷却效应测量比较了两种载气心和h e 的条件下自由基分子o h 和 o d 的光谱 1 2 。2 0 0 4 年叶军等人利用脉冲放电产生o h 超声分子束，探测了激光诱 导荧光光谱，并通过辅助放电获得了较低的平动温度和转动温度【1 3 】。超声分子束 技术还被广泛的应用于自由基和离子的光谱学研究。电晕放电结合超声分子束技术 产生自由基是最普遍的方法之一。放电法产生自由基又可以分为电晕放电 1 4 ，射 频放电 1 5 ，火花放电 1 6 和直流放电 1 7 ，1 8 】等。s h 唧e 和j o l u l o s n 还发明了一种将 脉冲电晕放电与脉冲喷射管相结合的超声分子束自由基生成方法 1 9 2 1 】。许多自由 基、范德瓦尔斯以及离子分子包括0 h 、n h 、c c l 、c h 3 n 、a r 3 、( c o ) 3 、s o + 、蜮e + 等都可以用电晕放电产生 2 2 、2 3 、2 4 2 7 。另外激光光解法也是产生自由基或离子 常用方法，主要有c h 2 、c n 、s h 、氟化苯系列等 2 8 3 0 】。与此相关的自由基生成技 术还有激光烧蚀 3 1 ，3 2 】，对石墨进行激光烧蚀然后进行分子束冷却首次观测到c 6 0 的质谱 3 3 】。此外，也有采用快速热解方法在脉冲喷射管中产生自由基的。 2 硕士学位论文 m a s t e r st i e s i s 红外光谱的灵敏度通常较低，因此红外区的超声分子束光谱技术发展较为缓 慢。利用可调半导体激光观测多原子分子振动光谱始于1 9 7 7 年 3 4 ，并随后获得了 较大发展。激光与分子束技术的完美结合，使得从分子层次上研究自由基分子或者 单次碰撞的化学过程的动态行为成为可能，推动了激光诱导下单分子激发态动力学 研究的发展，激发态分子反应动力学也因此大规模的发展起来。1 9 9 9 年，h i p p l e r 和 q u a c k 利用高灵敏的连续光腔衰荡光谱( c r d s ，c a v i t ) ，r i n gd o w ns p e c t r o s c o p y ) 方法 实现了超声分子束的腔衰荡吸收光谱的测量 3 5 ，标志着在分子束系统中，光谱检 测方法除l i f 外，基于吸收的光谱技术仍可适用，大大地扩大了分子束技术的研究 和应用范围。 超声分子束技术还是生成成团簇的重要手段之一。团簇是由原子或分子组成的 聚合体，它们的成键包括从弱的v 撕d e rw a a l s 力、氢键到强的离子键、金属键、共 价键和配位键，其性质既不同于单个原子或分子，又不同于固体或液体，是介于原子、 分子和宏观物质之间的物质结构新层次，被认为是物质的第五态。1 9 5 6 年b e k c e r 首 先用超声喷射加冷凝方法制得团簇，8 0 年代团簇研究取得了突破性的进展，并且大 量光谱方法和质谱方法的引入，使分子团簇研究得以广泛开展，超声分子束技术与 光谱或质谱手段相结合是定量测量团簇的组成和几何结构的主要手段之一。在短短 的二十几年间，分子团簇研究越来越受到人们的重视，并发展成一门新兴的边缘学 科一一团簇科学。 到目前为止，以超声分子束为基础发展起来的多种技术，为物理学、生物学、 化学、材料学、燃烧科学、天体物理、星际化学等多门学科提供了重要的科学研究 手段。同时，在应用领域分子束技术已经被广泛的用于喷镀薄膜、电子材料、核燃 料加注，光学器件等领域。 1 2 超声分子束技术的基本原理 1 2 1 引言 超声分子束作为一种重要的技术，已经被越来越多的科学家用来进行实验研 究，比如散射实验，低温动力学，分子光谱和光化学动力学等。当超声喷射技术和 激光光谱技术相结合进行分子光谱研究后，可以获得高分辨率的分子光谱，简化分 子的转动光谱，对自由基、团簇等特殊分子体系进行光谱研究。下面我们对超声分 子束形成的原理进行简单的介绍。 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 2 2 超声分子束的形成机理 当气体分子由高压区( s o u r c ec h 锄b 哪经过小孔或喷嘴( n o z z l e ) 绝热膨胀进入低 压区( e x p a n s i o nc h 锄b e r ) 时，压力差将驱使分子以一定速度喷射出来，见如图1 。 图1 超声分子束绝热膨胀示意图 在这个过程中产生的大量的二体碰撞( 见图2 ) ，使得与随机运动有关的热能转 化为定向运动的气体动能，导致与速度分布相关的平动温度下降。这点从微观角度 理解为，在射流刚刚进入高真空而且距离喷嘴位置很近的一段路径上，由于分子之 间剧烈的碰撞，在射流运动方向速度较快的分子和前面较慢的分子碰撞会转移动能 给它，从而减小分子间相对速度，降低分子的平动温度。此时，纵向运动的分子束 已经不再是一个平衡态，平衡态的温度定义己经不能用了，分子在纵向的速率分布 3 6 】为： 厂( y ) 0 c1 ，2e x p 一掣】 ( 1 1 ) v 4 其中k 是分子束的平均流束，v 口是速度分布宽度。对应的分子束纵向的平动温 度为 疋：堕 ( 1 2 ) 2 k 一一 其中，m 为分子的质量，k 为玻耳兹曼常数。室温下超声分子束中的平动速度 分布 3 7 如图2 所示。 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 弋一。 乞，- - - - 图2 超声分子束中的平动速度分布 在膨胀的过程中，通过平动能与分子内能的交换碰撞，使分子的转动和振动温 度也得以降低。由于转动平动热平衡效率较高，转动温度可以得到较大幅度的降 低。但是振动一平动热平衡效率却相对较低，所以振动温度降低的十分有限。因此， 通过超声分子束冷却的结果是( 见图3 ) ： t 。邮( 平动温度) i ( 转动温度) q i b ( 振动温度) 5 5 ，d 是喷嘴的直径。 f ，丛、1 l y l 工一z o 、 r 1 图8 采用点光源近似处理后，接近轴线的喷束形状【4 6 】 ( 1 8 ) ) 兰( x ，r ) x o ) 2 + r 2 i l 2 1 p x x o ) l rs i a8 x o 嚣rc e 硕士学位论文 m a s t e r st h e s t s a s l l l 【e i l a s 和s h e r n l a i l 还提供了一些常数a 和的值，如表1 所示，马赫数越大， 分子的冷却效果越好。例如对于单原子气体的y = 5 3 ，当采用氦气时，马赫数膨可 达3 5 0 。对于距离x 不太大( 大约几毫米到几厘米) ，这个范围内有足够的分子密度来 产生二体碰撞，导致制冷效果，此时马赫数可以近似为 m 彳( 矿 9 ， 其中a 是依赖于，的常数，通常它们的关系如表中所示。 表1a s h k e n a s 和s h e 彻a 1 1 提供的一些常数a 和的值 7 x a | d a 1 6 7o 0 7 53 2 6 1 4 0o 4 03 6 5 1 2 8 5 7o 8 53 9 6 1 2 0 、 1 0 04 2 9 1 1 01 6 05 2 5 1 0 51 8 06 4 4 通过公式( 1 7 ) 我们可以画出马赫数、分子温度、密度和气压比与单原子气体 在距离喷嘴下游的距离之间的关系，如图9 所示。从上面的公式和图9 看来似乎在喷 嘴下游足够远处可以达到任意大的马赫数。实际上，密度在喷嘴下游某处可以足够 低，分子密度低到几乎没有碰撞的程度时，气体分子间不再交换能量，膨胀气体的 温度不再改变，温度和马赫数达到一个终值，又称为终值马赫数m ，。对于单原子 气体，终值马赫数m r 只是乘积( b d ) 的函数： m r = 1 3 3 ( 昂d ) o 4 ( 1 1 0 ) 这里尼的单位是大气压，d 的单位是厘米。对于氦气由于其量子效应，碰撞截面随 着气体能量的减小而很快的增大，氦在低温条件下继续碰撞的距离远远超过经典气 体的低密度极限，所以氦在膨胀中可以获得比上式更大的马赫数和低得多的温度。 1 2 硕士学位论文 m 人s t e r st h e s i s p p 矗 l o l o 。 l o 。- l o 。 l o z x 1o 图9 对于单原子气体，距离喷嘴不同的位置与马赫数、温度、密度及 气压的关系 在实际情况中，分子和背景气体之间是存在相互作用的。a s h k e i 瑚和s h e n i l a n 以及b i e r 和s c h m i d t 等人都发现终值马赫数m r 的位置，马赫盘的位置如与喷嘴直径 的比值仅仅取决于喷嘴两边的压力之比，后来a s h k e n a s 和s h e n i l a n 给出了经验公式： 鲁一o 6 7 偿 且1 5 詈1 7 0 0 0 ，忍是背景压力。嘞的位置和背景压强有关，而背景压强又取 决于泵的抽速，所以采用高抽速的泵可以得到较长的距离。 为了获得高质量的超声分子束，避免超声喷射中的冷分子与真空腔体中剩余背 景分子的碰撞而引起温度的升高，需要采用一些技术手段保证腔内的高真空。到目 前为止，有两种途径可以在保持高真空条件下获得质量好的超声分子束。第一种途 径就是采用大抽速、极限真空高的分子泵。第二种途径就是采用脉冲喷射，而非连 续喷射。这样可以减轻分子泵和机械泵的负载，降低对真空泵系统的要求，同时降 1 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 低样品气体的消耗率。 事实上，实验中致冷的极限还与复合物( c o m p l e x e s ) 的形成有关，例如在冷却过 程中，样品分子与惰性气体形成复合分子并放出热量，导致温度升高。复合物的形 成至少要由三体碰撞引起( o c 露d ) ，而致冷的效应与二体碰撞有关( 昂d ) 。 通过改变扩散的条件，在保持昂d 不变的情况下，使最d 尽量小，可以达到所希 望的致冷程度而不形成复合物。定性的关系为： 复合物的形成量为尼= 露d 致冷程度为c = 晶d 通过喷嘴的物质总量为= 咒d 2 由此c 3 = 七厂，在保持复合物分子生成量一定的前提下，要使致冷量降低一个 因子，要求对物质的抽运量为3 ，即要加大真空泵的抽速 4 7 。 1 3 论文的内容结构 本论文主要介绍了作者在攻读硕士学位期间的一些工作，论文从内容上分为两 大部分：第一部分为第二章，主要介绍三种不同类型的多程吸收池的原理和特点： 第二部分为第三章和第四章，主要介绍这套配有像散型多程吸收池的超声喷射中红 外激光光谱装置的构成和工作原理，并对该设备进行了详细的测试和分析。 第二章中，首先介绍了在超声分子束实验中引入多程吸收池的原因。然后分别 详细的介绍了w h i t em u l t i p a s sc e l l 、h e o t tm u l t i p a s sc e l l 和a s t i g m a t i cm u l t i p a s sc e l l 的构成和原理，尤其是对像散型多程吸收池( a s t i g m a t i cm u l t i p a s sc e n ) 详细的分析 了其光路稳定条件和吸收池的调整方法，并给出了在实验中调整出来的光斑分布 图。 第三章的内容主要为配有像散型多程吸收池的中红外激光光谱仪的基本构成 和工作流程介绍。分别介绍了其真空系统和超声喷射系统，激光光源和光路的构成， 脉冲控制电路和数据采集系统等。详细的分析了时间序列的控制，对采集的方式进 行了对比分析，并对实验中用l a b v i e w 程序编写的控制软件进行了必要的说明。 第四章主要是利用实验中生成的a r n 2 0 范德瓦尔斯分子对整套设备进行了详 1 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 细的测试和分析。首先介绍了一些基本的光谱学知识，对测量出来的转动吸收光谱 进行分析并对实验设备进行评估，标识出q 分支中的k = 1 卜o 子带在转动量子数 户5 时，即5 l ，4 5 0 ，5 的谱线频率为1 2 5 8 5 5 8 9 c m 。对不同的电流扫描方式及使用锁 相放大器和不使用锁相放大器的试验结果进行了对比，最后提出了一些实验改进的 方法。 第五章就本文的工作进行了总结和展望，并提出了下一步工作的要点。 1 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 1 绪论 第二章多程吸收池 在过去的三十多年中，光谱技术，比如傅立叶( f o 嘶e r ) 变换微波光谱【4 8 5 4 】、 激光诱导荧光( l a s e ri n d u c e df 1 u o r e s c e n c e ) 光谱 5 5 ，5 6 、傅立叶变换红外( f o u r i e r t r a n s f o m1 1 1 f 渤。e d ) 光谱 5 7 5 9 和光腔衰荡光谱( c a v i t yr i n g d o w ns p e c t r o s c o p y ) 6 0 ， 6 1 技术与超声喷射相结合，对在超声喷射中形成的范德瓦尔斯( v r 肌d e rw a a l s ) 分子 及其它一些分子离子进行了广泛的研究。众所周知，在高灵敏的激光吸收谱中，样 品的浓度一般较低且对激光的吸收系数也较小，因此就需要一个较长的吸收光程 ( 数十米甚至几百米) 以确保光束在穿越样品分子时能被有效的吸收。一般来说， 要在有限的实验室空间内达到如此大的吸收光程是很困难的，必须对光束进行折叠 ( f o l d i n g ) 以减小光路体积，即采用多光程吸收池( m u l t i p a s sa b s o 印t i o nc e l l s ) 技术。 2 2 三种类型的多程吸收池介绍 2 2 1 引言 在光谱学发展的过程中，高灵敏的激光吸收光谱研究曾经遇到了一些困难，比 如单位长度的样品对激光光束的吸收太弱等，一直到多程吸收池出现后，这个困难 才得以迎刃而解。众所周知，根据朗伯一比尔定律，当一束强度为厶，频率为的 平行理想单色光通过长度为，的分子气体样品后，被吸收的光强= 厶( 1 一p 埘) ，式 中七为吸收系数。很明显，增加光束在样品中穿越的长度是增加吸收信号强度最直 接有效的方法。事实上，使用光学多程吸收池不仅可以显著的提高信号探测灵敏度、 增强吸收信号强度，还具有减小实验光路体积和节约样品气体等众多优点。 目前的多程吸收池主要有w 1 1 j t em u l t i p a s sc e l l s 6 2 6 4 ，h e r r i o t tm u l t i p a s s c e l l s 6 5 7 1 】和a s t i g m a t i cm u l t i p a s sc e l l s 7 2 】这三种类型，它们的基本构成和工作原理 以及增加光程的本领也都各不相同，下面我们将分别对它们进行详细的介绍。 1 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 2 2w h i t e m u l t i p a s sc e l l s w h i t em u l t i p 2 l s sc e l l s 作为最早出现的多程吸收池，是由j v w l l i t e 在1 9 4 2 年发明 的。它主要有三个球面镜构成，前后球面镜的距离为r ( r 为球面镜的曲率半径) ， 其具体构造如图1 所示。入射光线从前端反射镜b 的旁边进入到吸收池的内部，经过 一定次数的反射后，再从前端反射镜b 的另一边被反射出去。光束每次在抵达反射 镜b 的时候都被精确的重新聚焦于此，这样可以尽量减小光斑在反射镜上所占用的 面积。调节前面反射镜b 的相对角度可以改变反射次数。 图1w h i t en l u l t i p a s sc e l l s 的构成示意图，光线在腔内来回反射8 次，e 和c f c 分别是后面两个反射镜a 和c 的曲率中心点，在镜子b 上的反射光斑以次 被标记为( 1 ，2 ，3 ) 在调节w l l i t em u l t i p a s sc e l l s 时，首先要确保光斑在镜面b 上的分布为一条直线， 且光斑不会相互重叠，其次后面两个反射镜( c 和a ) 的曲率半径中心点与前面反射 镜上的光斑也要处于一条直线上。在图2 中我们以腔内1 2 次反射条件下的前端反射 镜b 为例，说明在准直良好情况下的光斑分布和非准直情况下的光斑分布。 1 7 l l 时，其计算出来的理论光斑分布如图6 所示，这 个时候光束在吸收池内被来回反射了1 8 2 次数，得到的总光程就为d 1 8 2 。 我们这里只列出带有耦合孔的反射镜a 上的光斑分布图，反射镜b 上的光斑 图案与反射镜a 上的图案一样，只是光斑图案刚好相反，或者说相对轴心旋转了 1 8 0 度。在反射镜a 上，除了入射和出射光束处在耦合孔的中心，其余的光斑都远 硕士学位论文 m 人s 丁e r st i e s i s 离耦合孔的中心，一般来说，离的越远越好。图7 中的左图为1 8 2 次反射时的光斑 分布，其中光斑的大小和光束在吸收池内传播时散射的相对强度成比例。右图是实 验过程中调出来的1 8 2 次反射时的光斑分布图，这是在两面反射镜的距离d = 2 0 锄时的最优化光斑分布。如果将反射镜的j 1 = j j 距调整到d = 3 2c m 时，我们可以得到 2 3 8 次反射的最优化图案分布，其相应的参数为 = 2 3 8 ，m ，= 1 4 2 ，m ，= 1 3 4 。 图6 前端反射镜上的光斑理论分布图，其相应的参数为 = 1 8 2 ， m ，= 8 0 ，m 。，= 7 6 ) ，光斑在镜面i ：远离耦合孔。 e 。 _ f ? 占一气 。- u i 。 - 。_ 。 图7 左图中光斑的人小1 0 光束住吸收池内传播时散射的相对强度成比例。右图为实验中 调整f | 5 米的1 8 2 次反射光斑分布图，以红色h e n e 激光作为准直光束。 2 3 a o o 口 o o o o o o o o o 。 o o o 。o o o 。o o o ， o o o 。 o 口 o o o o o 。矿。 o o o o 。 。 。勺 。 o o o o o o 。o 。 o o o o 硕士学位论丈 m a s t f r st 1 1 f s i s 采用这种多程吸收池的另一个优点就是两个反射镜之间的相对转动角度9 是 可以自由调整的，因此对于一套已经加工出来的反射镜，我们就可以通过调整多程 吸收池得到各种各样的光斑分布，满足各种实验条件的需要。通过平移和转动镜子 得到多种光斑分布和光程长度，这在实际应用中是非常重要的。例如我们在实验的 过程中，为了得到较好的a r n 2 0 范德瓦尔斯分子吸收光谱，就曾经把光斑反射次 数调整为1 1 0 次( 见图8 ) 。 图8 在1 1 0 次反射情况卜的光斑分布，以红色h e n e 激光作为准亢光束。 综j ：所述，我们可以看出采用的这种像散型多程吸收池很容易在镜而上实现 1 0 0 多个反射光斑，显著增加吸收光程和吸收信号的强度，并且镜面上的光斑相互 错丌，从而避免相互重叠，防止干涉效应的产生。另外，由于在束腰内部也都充满 着光束，因而可以提供更高的光束密度。在实验过程中，应该把喷射出来的气体尽 量集中在这个束腰上。同时，由于在超声喷射中生成的分予或者离子的浓度会随着 离喷嘴距离的增加而降低，所以还j ，_ 以尽量的让喷嘴接近这个光束密度最高的束 腰，确保激光光束穿过最高浓度的生成物( 分子或离子) 。并且对于一个给定的反 射次数或者是吸收光程，我们可以采用更小面积的反射镜( 相对于h e 耐o t tc e l l 和 w h i t ec e l l ) ，从而达到更加有效的减小多程吸收池的体积和质量，这对于样品气体 数黾较少、便携式系统或者机载应用等方而至关重要。 硕士学位论文 m a s t e r st l e s i s 2 4 2 3 像散型多程吸收池的调整方法 由于两面反射镜是安装在自己设计的基座上的，因此安装后必须要对吸收池进 行准直调节，主要包括平移、转动和后面反射镜的倾斜调节等。在实际应用中，还 要根据实验需要经常改变光斑分布和吸收光程，所以对吸收池的熟练调节就显得很 重要了，具体操作步骤如下： ( 1 ) 反射镜倾角的调整 先用可见的h e n e 激光建立吸收池的光学轴心线。这一步必须要进行精确的 调整，确保光束准确的落在后面反射镜的中心，然后调整后面反射镜的固定旋钮， 使得反射光束从前面反射镜的耦合孔中射出。这样做的目的是为了抵消制造过程中 产生的误差和安装过程中导致的位置偏差。 ( 2 ) 反射镜间距和转动调整 首先把可见准直光束调整到水平方向上，并与吸收池轴心成一定角度入射进 去，对于1 8 2 次标准反射次数来说，我们使用的这种反射镜入射角度为5 1 0 ，将两 面反射镜的间距调整为2 0 锄，即等于其中一个曲率半径r 。然后转动后面反射镜 直到出射光束可以从耦合孔中射出，且前面反射镜上的光斑分布如图6 所示。 最 后一步就是把入射光束和出射光束调整到耦合孔的中央。需要说明的是，平移反射 镜会使出射光束在水平方向移动，转动反射镜会导致出射光束在竖直方向移动。 硕士学位论文 m a s t e r 。st l e s l s 第三章配有像散型多程吸收池的超声喷射实验装置 3 1 引言 在实验过程中，我们将自己组装的多程吸收池与超声喷射技术结合起来，在原 有的可调谐二极管激光器基础上搭建起了一套配有像散型多程吸收池的超声喷射 中红外激光光谱装置。另外，还使用l a b v i e w 程序编写了可调谐二极管激光器、 锁相放大器和数据采集卡等设备的控制程序，实现了可调谐二极管激光器的控制、 吸收信号的同步监测和采集数据的自动保存。 3 2 实验装置的构成 本套超声喷射中红外激光光谱实验装置的基本构成如图1 所示。该实验装置主 要由真空系统和真空监测部分、配气及超声喷射系统、激光光源和光路系统、信号 探测部分、数据采集电路和控制软件等部分组成。 m o d u | a t i o ns i g n a | 图1实验设备的控制、光路、脉冲超声喷射和和数据采集示意图 2 6 硕士学位论文 m a s t e r st i e s is ； 3 2 1 真空系统和超声喷射系统 真空系统主要由真空腔、抽运设备、真空测量仪器等部分组成。实验中采用的 是北京中科生产的真空腔，其内径为4 0c m ，腔体上丌有各种接口，包括进气接口、 放气阀门、光束导入窗口和观察窗口等。腔外的实验 体经由腔体上的进气接口进 入到真空腔内的直径为6m m 的波纹管里，然后这些气体经由此波纹管流入到真空腔 内的脉冲阀单。腔体的下端开有一直径为3 0c m 的接【 ，k y k y f 15 0 0 型涡轮分子 泵诈是通过该接口与真空腔连接起来的。真空腔内的真空情况山一台b a l z e r s 型全 量程真空计监测。 为了获得高质量的超声分子束，避免超声喷束中的冷分子与真空腔体中剩余背 景分予的碰撞而引起温度的升高，需要采用一些手段保证腔内的高真窄。第一一种途 径就是采用大抽速、极限真空高的分子泵。因此我们采用了二级泵系统，它山北京 中科k y k y f 15 0 0 型涡轮分予泵后面接旋片真空泵z x a 。15 d 组成。山于分子泵的 抽速达到1 5 0 0 升秒，故真空腔的静态背景真空可以达到1 0 。5 心。第二种途径就是 采用脉冲喷射，而非连续射流。这样可以减轻分子泵和机械泵的负载，降低对真空 泵系统的要求，同时降低样品气体的消耗率和提高吸收信号的信噪比。我们实验中 使用脉冲阀型号为g e n e r a lv a l v e9s e r i e s ，如图2 所示。 图2 实验中使朋的脉冲阀( 喷嘴为圆孔形) 在试验初期，脉冲阀是固定在一个滑竿上面的，每次需要调整脉冲阀与吸收池 的相对位置和棚对距离时都必须先关闭分予泵，然后才能打开真空腔，很不方便。 为了便于在实验进行的过程中随时调整脉冲阀与探测激光光束之间的相对距离和 位置，获得最佳的吸收信号，我们将脉冲阀同定在腔内的一个二维电动平移台上。 该平移台的分辨精度为o 0 0 0 3 2m m ，最大行程为5 0m m ，通过两条9 针电缆连接到腔 外的控制器一卜。通过其控制器卜的按钮可以没定电动平移台移动的距离和移动速度 等参数，并且还能够利用计算机的串口进行远程控制。 巍甓鬻誊薹溺糕纛满霉戮 嘲 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 配气和分子束源系统 我们将被研究的不同气体按照一定的比例混合在一起，然后利用脉冲阀喷射进 入真空腔内，在绝热膨胀的过程中形成超声分子束。实验过程中，可以根据吸收信 号的强弱等调整脉冲阀的脉宽( 喷气时间) 和气源的压力。 当然，获得比例正确的混合气体是实验成功的第一步。实验初期我们采用质量 流量控制器( m a s sf l o wc o n t r 0 1 l e r ) 直接进行混气，但是由于气体流速较慢和控制器 的精度不够高，混合比例往往难以保证。后来改为把不同的气体按照一定的比例分 别依次注入作为气源的钢瓶中，这样做的优点是气体混合比例精度很高，缺点是不 能在实验进行中实时调整气体的混合比例。 如果需要在常温下配比一些比较特殊的气体，还可以采用冒泡法( 或发泡法) 。 即利用液体具有一定的饱和蒸汽压力，可以通过改变载气的压力，来调节种子气体 的百分比。具体的配气示意图如图4 所示。 图4 冒泡法配气原理图 载气 3 2 2 激光光源和光路系统 激光光源主要由激光控制器( l 5 8 3 0 ) 和可调谐二极管激光器( t u n a b l ed i o d e l a s e r ) 组成。可调谐二极管激光器也被称为半导体激光器，它们大多由铅盐合金制 成，其输出激光频率一般由经过精确掺杂的半导体晶体所决定，波长覆盖范围为3 1 5 啪或3 3 0 0 一6 5 0 咖，典型输出功率在1 0 0 u w 一1 m w 之间。由于激光器的谐振 腔是矩形的且长度只有5 0 2 0 0 u m ，因此出射激光的发散角很大( 2 0 一4 0 度) ，光束 截面形状为椭圆形。上述的这些缺点导致了激光器发射的激光往往不是单独的一个 2 8 硕士学住论文 m a s t e r st i t e s i s 模，这些模之间的间隔基本上为1 4 c i i l ，覆盖的频率范围为o 5 2 c m 。一般来说 激光器只在较小的范围和特定的条件下才会工作在单模情况下，为了确保实验中的 激光光束为单模，可以使用单色仪( m o n o c h r o m a t o r ) 进行选模。 二极管激光器的输出频率由二极管的温度和工作电流决定。改变激光器的温度 可以实现激光频率的粗调，改变其工作电流可实现对激光频率的细调。在粗调情况 下，温度的变化会导致能带间隙的变化和二极管激光器的谐振腔长度的改变( 因为 半导体晶体的折射率变化了) 。这些变化会导致激光输出模的跳跃，即产生不同的 模以适应不同的腔长。当温度设定后，改变激光器的工作电流可实现对激光频率的 精细调节。由于可调谐半导体激光器只能在低温条件下工作( 1 0 0 k 以下) ，所以必 须安装在由液氮制冷的杜瓦源中。 为了能实现激光器温度和电流等一系列参数的设定和调节，必须使用相关的控 制器。实验中我们使用的激光控制器为l 5 8 3 0 ，它具有1 6 位温度和电流数字控制单 元，因此可实现对激光器输出频率的精确调谐。同时它还配置有标准r s 2 3 2 接口， 计算机通过该串口可实现对激光管的远程操作。 半导体激光器输出的激光光束先经一个抛面镜反射汇聚后进入单色仪( m o n o c h r o m a t o r ) 中，经过准直后的光束进入一对由球面镜组成的可以把光束直径从数十 毫米压缩到三毫米左右的望远镜装置中( t e l e s c o p ea r r a n g e m e n t ) ，然后穿过腔体上 的c a f 2 窗片，进入像散型多程吸收池内并在其内部经多次反射后从多程池上的同一 小孔耦合出来。需要说明的是，为了避免光路中使用汇聚透镜而导致的小部分激光 被反馈到激光器的谐振腔内，导致干涉效应产生，光路中采用纯反射镜代替汇聚透 镜。为了便于确定光束的传播方向，还在光束进入真空腔之前安装了两个光阑以限 定中红外激光光束传播的路径。光束在穿过两个分束器时有小部分被分离出来( 见 图1 ) ，分别进入参考池和标准具中进行光谱的绝对标定。 由于原来使用的固体锗标准具的自由光谱范围较窄，分辨精度仅为o 0 4 8 c n l 一， 对于高分辨的转动光谱进行定标时精度不够。实验中我们用两块曲率半径为2 5 0 1 1 1 i n 的镀金球面镜( 相距2 5 0 m m ) 和一个分束器，组成内在耦合法布里一泊罗干涉仪 ( i n t e m a l l yc o u p l e