共振简并四波混频技术及其在气相介质光谱中应用研究

摘要

简并四波混频（DFWM）已发展成为一种新的可用于原子、分子和自由基光谱研究及痕迹量检测的光谱技术。与其它光谱技术相比，DFWM光谱技术具有以下特点：(1)DFWM光谱技术具有亚多普勒的光谱分辨、良好的时间和空间分辨等特点，可用于远距离探测，且无本底噪声，探测灵敏度高；(2)DFWM采用的是直接检测吸收，特别适合于荧光微弱或荧光辐射寿命很短的体系，尤其在压强较高时，碰撞淬灭会大大降低激光感生荧光（LIF）的检测灵敏度，而DFWM技术则不受影响，外加缓冲气体甚至会大大增强DFMW的信号强度；(3)除了传统的单光子共振DFWM，利用双光子共振DFWM还可以研究那些相对于基态为禁戒跃迁的分子激发态能级。因此DFWM光谱技术可以应用在大气测污、燃烧诊断及毒品检测等领域。由于四波混频的信号强度与介质的三阶非线性极化率χ(3)有关，对于气相非线性介质来说，χ(3)一般都很小，气相介质的DFWM信号强度较弱，任何光学面的极微弱散射都会淹没DFWM信号。因此气相介质的 DFWM的工作条件极为苛刻，使得 DFWM技术在气相介质光谱方面的应用研究一直没有突破性进展，究其原因有三：1）激光束漂移致使DFWM实验极其困难；2）没有同时获得多组分、高分辨率DFWM信号的激光光源；3）有机分子的DFWM光谱未取得进展。
　　为解决上述问题，本文设计了具有自稳功能的新型分光系统和像点对光法，成功地解决了由激光束漂移和环境影响导致的DFWM实验光路调整困难及不稳定性等问题。并在实验上确定了能够获得多组分、高分辨率共振DFWM信号的紫外激光调谐波段，开展了用于气相分子（碘、萘）和燃烧火焰中OH自由基的DFWM光谱实验。由于采用了共振DFWM技术，大大增强了三阶非线性极化率系数χ(3)，使得气相介质DFWM信号在共振条件下很容易观察。在常温大气压条件下测得气相有机分子萘的DFWM光谱，并确定萘的含量为1ppm，这时目前有文献报导的最好结果。
　　本论文首先系统综述了DFWM光谱技术在痕迹量检测和激光燃烧诊断等方面的最新研究进展。然后对DFWM光谱技术的基本理论，DFWM光谱测量过程中抑制激光飘移和宽带可调谐染料光源及其稳定性方面进行了分析和讨论。在此基础上，对碘蒸汽和多环芳香烃有机物萘进行了测量。最后利用DFWM光谱技术测量了甲烷-氧气-氮气的燃烧火焰中 OH自由基的光谱信号和它在火焰不同位置的相对浓度分布。
　　具有自稳功能的新型分光系统和像点对光法的研究。实验中任何激光光源微小漂移和微弱的杂散光都会直接影响到DFWM信号的探测，甚至检测不到信号。为解决DFWM技术对各种实验条件要求高的问题，本文采用了自稳分光系统和像点对光法两种技术，通过测量气相介质在可见光和紫外光等波段的DFWM光谱，分别验证了该实验装置的有效性。具有自稳功能的分光系统和像点对光的DFWM技术的研究，至今未见报道。
　　宽带连续可调谐的激光光源的研究。采用PM580&DCM、PM597&DCM分别共溶于酒精溶液的方法，获得了多组分、高分辨率共振DFWM信号的紫外激光调谐波段宽带连续可调谐激光光源。通过测量激光染料LDS698，Rh610和萘等有机大分子的DFWM光谱验证了它的稳定性和有效性。使用宽带连续可调谐、同时多组分测量激光光源还未见报道。
　　气相碘和萘的DFWM光谱的研究。实验研究了常温下I2的DFWM信号饱和强度和光谱线形随外加气体压强变化的情况。其次，本实验系统地研究了饱和条件下染料激光器的光稳定性对DFWM信号和背景噪声的问题。最后，以多环芳香烃有机分子萘为例，首次在常温常压环境条件下，获得不同波长和不同光强时萘分子的DFWM光谱，此实验方法和结果至今未见报道。
　　利用具有自稳分光特性的前向DFWM实验装置，获得了甲烷-氧气-氮气的燃烧火焰中OH分子的DFWM光谱信号。使用OH的强吸收线309.760nm检测不同比例CH4/O2/N2混合气体燃烧过程中火焰不同位置的自由基OH根的DFWM光谱，确定火焰不同位置自由基OH的相对浓度分布。

目录

共振简并四波混频技术及其在气相介质光谱

INVESTIGATION ON RESONANT DEGENERATE

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1 章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 常用的几种激光光谱技术

1.3 DFWM光谱技术的研究进展与存在的问题

1.4 论文主要研究内容

第2 章 共振DFWM 理论的BLE 模型

2.1 引言

2.2 共振DFWM理论模型的演变

2.3 BLE 理论模型

2.4 BLE模型的扩展研究

2.5 BLE模型的“光栅”理论解释

2.6 本章小结

第3 章自稳DFWM 技术

3.1 引言

3.2 分光技术对DFWM 信号的影响

3.3 DFWM实验装置

3.4 DFWM实验中的自稳分光系统

3.5 DFWM实验中的像点对光法

3.6 本章小结

第4 章 适用于DFWM 的宽带连续可调谐光源

4.1 引言

4.2 用于DFWM的可调谐光源

4.3 紫外光源用于有机大分子溶液的DFWM 研究

4.4 本章小结

第5 章气态碘和萘的共振DFWM 光谱

5.1 引言

5.2 实验装置

5.3 碘蒸汽的DFWM光谱

5.4 碘的DFWM光谱随外加气体空气压强的变化

5.5碘蒸汽在常温大气压强条件下的DFWM 光谱

5.6 激光光源稳定性对DFWM信号的影响

5.7. 萘气体的DFWM光谱

5.8 本章小结

第6 章 燃烧火焰中OH 自由基的共振DFWM 光谱

6.1 引言

6.2燃烧实验系统

6.3 在大气环境下火焰中OH自由基的DFWM 光谱

6.4 燃烧火焰中不同位置OH的DFWM 光谱

6.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

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