《KH分子基态中高位振动态的产生和能量转移过程的研究 毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《KH分子基态中高位振动态的产生和能量转移过程的研究 毕业论文.doc（22页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、目录引言11实验理论21.1 原子分子光谱理论21.1.1 双原子分子的位能曲线21.1.2双原子分子的能级结构31.2 双原子分子的谱线和特点41.3 碰撞能量转移理论51.3.1 碱原子-分子系统中的碰撞能量转移过程62 实验技术及研究方法92.1 激光发光技术 2.192.2 激光感应荧光光谱103实验仪器113.1 激光光源113.2 样品池113.3 热电偶123.4 光子计数器123.5 扫描单色仪134 实验研究及实验分析134.1 实验装置与测量方法144.2 实验结果与讨论15结论17参考书目与文献18致谢2020引言原子分子的碰撞研究和光谱研究是获得原子分子结构、相互作用势
2、信息、碰撞能量分配及发展新型激光器的重要实验技术手段。因此，原子分子的碰撞研究是原子分子物理研究中的重要领域。对于原子分子的碰撞过程的深入研究，不仅能丰富和深化对原子分子物理特性的认识，而且还可以大力促进许多相关学科，如天体物理、大气物理、等离子体物理、化学反应动力学乃至凝聚态物理和材料科学的发展。由于涉及多种学科，在应用和理论研究方面有很广阔的前景。人们对激发态原子与气体分子的碰撞能量转移过程已经进行了广泛的研究1-5，这种过程在解释气体分子介质的许多现象上起重要作用，在理论研究和实际应用上（如原子滤波器）有很大的意义6。碱金属(Rb,Cs)原子分子激发能级低，一些较重的碱金属分子能级密度很
3、大，且其辐射的荧光往往位于红外，这就提供了研制高功率近红外调谐激光器的可能性，而获得激发态碱分子的碰撞去布居、预解离及碰撞转移等过程的实验数据是研制这种新型激光器的必要条件。预解离和碰撞转移是产生激发态原子、分子的一种重要机制，同时，碰撞传能对原子分子间的反应动力学、辐射现象及激发态的输送等的研究也是至关重要的。碱原子激发态与基态碱原子7-9、惰性气体原子10-12及碱分子13,14的精细结构碰撞转移已进行过许多研究，获得了原子相互作用的丰富信息。激发态碱原子与基态原子或分子碰撞，由于原子激发能转移为原子或分子的平均动能引起精细结构碰撞混合。对于分子来说，因有丰富的振转结构能级，所以原子激发能
4、还会向振转能级转移，因此有较大的精细结构碰撞转移截面15,16。但对碱原子激发态与双原子分子碰撞猝灭率的报道却不多,有必要进行深入的实验研究。此外，至今在理论与实验之间，在不同作者的实验数据之间都存在着较大的差别。激光光谱技术虽对实验方法有很大的改善，测量精度也有很大地提高，但受如辐射陷获效应的复杂性，粒子数密度测量的误差及对碰撞机制理解的不完全等因素的影响。因此在这类实验中存在较大的系统误差源，故应进一步深入地实验研究。 本文是一篇关于KH分子中高位振动态的产生以及碰撞能量转移的文章。正文共分为四章，前一章为实验理论综述，包括原子分子光谱理论及碰撞能量转移理论;第二章介绍了实验技术及研究方法
5、；第三章介绍了实验所用到得仪器；第四章利用激光感应荧光光谱法，研究了KH分子中高位振动态的产生及能量碰撞过程；结论部分给出了论文的相关结论和实践意义。1实验理论1.1 原子分子光谱理论1.1.1 双原子分子的位能曲线分子核的有效位能的具体形式1.1.1为 （1）上式中为电子态的总能量，为所有核的位置矢量。有效位能决定于电子态的总能量和诸核之间相互作用的位能，这两项都取决于。因此，有效位能也是的函数。对于双原子分子，指的就是两个原子核的相对位置，如果把坐标原点选择在任意一个核上，令两个核之间的距离为,则有效位能可写成的函数 （2）通常把的关系曲线称为位能曲线。图1表示的双原子分子的位能曲线从图1
6、中可以看出，总是成反比关系，位能曲线不仅决定于分子的种类而且同一类分子的不同电子状态（基态，各种激发态）也对应着不同的位能曲线。上图也给出了处于某个稳定状态（即两个原子能够稳定结合在一起不分裂）的的示意图，并由和合成位能曲线。对于稳定的双原子分子，其位能曲线必定有极小值，在这点对应的核间距为。从图中可以看出，当时，两核之间存在吸引力，使它们靠拢，当时，两核之间存在排斥力，使它们分开。因此两个核通过键的连接形成了稳定的束缚态的分子。称为平衡位置的核间距。如果某个和合成的位能曲线不存在极小值，则两个原子之间就形不成键，不构成稳定的分子。1.1.2双原子分子的能级结构图2表示的是双原子分子的位能曲线
7、和能级示意图1.1.2图2 双原子分子位能曲线和能级示意图当分子处于稳定状态时，核上有效场中的能量应当包括以下几个部分：（1）首先应当包括，因为核在势阱中运动是势阱的最低点的能量，当计算核在势阱中运动时，总是以作为能量的起始点。（2）核振动能，由于在平衡位置附近位能曲线可以近似看成是抛物线量子力学指出，位于抛物线形状势阱中的粒子是线性简谐振子。其能量为： =0，1，2，3 （3）其中为振动常数，决定于核质量和平衡位置处位能曲线对的二阶导数。（3）核转动能量，如果忽略分子振动，并近似认为核间距固定于平衡位置。分子可以看成是用刚性支杆连结起来的哑铃（刚性转子），量子力学指出，此转子将围绕通过质心并
8、垂直于连接两核的轴运动。其转动能量是： 0，1，2 （4）其中为转动量子数，为转动惯量。（4）分子质心平动动能，由于分子作为一个整体，其质心将会相对于实验室固定坐标系平动并具有平动能。由于改变不影响分子内部能级的变宽，因此一般不予考虑。综上所述，不包括平动在内的分子能量（分子内能）为： （5）实际上，把位能曲线看成二次曲线，把核转动看成刚性转子，都是一种近似，都会引入误差。电子运动角动量和核转动角动量之间的耦合也会带来对能级的修正。1.2 双原子分子的谱线和特点双原子分子的光谱可以分为三大类：纯转动跃迁，振动-转动跃迁谱和电子跃迁谱。如下图所示（1）分子的纯转动跃迁指的是在同一电子态（即同一位
9、能曲线），同一振动态中不同转动能级之间的跃迁，由于相邻分子转动能级之间能量差别很小，所以纯转动光谱的频率很低，其波长大约从几个微米到几毫米量级，位于远红外区及微波区。（2）分子的振转跃迁是指在同一电子态内，分子从某一振动能级的第一转动能级线跃迁到另一转动能级的某一转动能级。在振转跃迁中振动和转动量子数都会发生改变，由于振动能级间隔较大，因此波长在近红外的125之间。图3 双原子分子的转动跃迁（） 振转跃迁和电子跃迁（3）分子的电子谱是指不同电子态之间的跃迁，在电子态改变的前提下，当然振动态和转动量子数也可以改变，由于电子态之间的能级间隔很宽，电子谱的波长处于紫外和可见光范围之内。图3给出了分子
10、的电子态跃迁，振动跃迁和转动跃迁产生谱线的波长范围。从图可以看出，对于同一条谱线，可以用波长(单位为），频率（单位Hz）或波数（单位为）来表示。如果上能级为，下能级为为，则跃迁的频率和波数与能级成正比，即 （6） （7）1.3 碰撞能量转移理论原子分子的碰撞研究和光谱研究是获得原子分子结构和相互作用信息的两大实验技术手段，因此原子分子的碰撞研究是原子分子物理研究中的重要领域。对于原子分子的碰撞过程的深入研究，不仅能丰富和深化对原子分子物理特性的认识，而且还可以大力促进许多相关学科的发展，在应用和理论研究方面有很广阔的前景。碰撞激发能量转移过程是重要的建立布居的机制，在激发态气体介质中的许多现象
11、中扮演很关键的角色。许多基础和应用领域对这种相互作用的研究很感兴趣。通常的激发态粒子寿命较短，难以及时碰撞，但是利用激光及放电技术，可以获得亚稳态或里德伯态的原子或分子，它们有足够长的自发辐射寿命持续到下一次的碰撞。激光光谱技术的发展为人们深入研究原子分子碰撞过程提供了有效的手段。利用现代激光技术和原子、分子束技术，人们现在可以研究原子分子碰撞对的各种精确的相互作用信息，包括碰撞的初态和终态的选择和确定、碰撞中间产物的监测、各种碰撞通道截面的测量以及影响碰撞过程的各种参量的测量。非弹性碰撞问题实质上属于低能分子碰撞中最基本的非绝热跃迁过程，它在研制新型分子激光器以及等离子体物理、激光化学等领域
12、起了相当大的作用。激发碱原子与原子分子碰撞，不仅诱发原子精细结构能量转移而且同时发生原子猝灭1.2.1，1.2.2，前者由于原子激发能量转移为原子动能引起精细结构碰撞混合，后者可能是分子中振转自由度吸取比转移动能大的多的激发能所发生的非辐射性跃迁。在碱原子与分子碰撞系统中轻碱原子（钠、钾）和重碱原子（铷、铯）的P态精细结构能量转移机制，至今仍然不大清楚，所取得的有关数据，不但非常贫乏且限于碱原子少数几个能级，精度一般不高，数值也有差异。实验上研究碰撞，主要有两种方法：宏观的方法较为简单，是让两种粒子在池中混合，突然激发（例如用光解、激光激发）其中某一种粒子，并使之和另一种粒子碰撞，然后观察总的
13、效应，给出各种状态碰撞效应的统计平均结果；另一种是粒子束的方法。由于激光及电子测量仪器的进步，使用粒子束研究原子分子和离子的碰撞取得了很快的进展。利用超声分子射流（supersonic nozzle beam）、原子分子束、可调谐激光，可以“制备”特定状态的粒子，不但粒子束的方向和速度可以选择，其电子态、振动态和转动态也可以控制和检测，因此一个完备碰撞实验便可以实现了。近年来，从很多方面来研究碰撞过程的动力学。当反应碰撞时，它就是化学反应的核心问题。在这个过程中，碰撞截面、能量转移、电荷转移、滞留时间及散射方向等问题都是人们所关心的。1.3.1 碱原子-分子系统中的碰撞能量转移过程原子-分子系
14、统中的碰撞能量转移过程是使原子或分子某些能级(或能态)获得布居的有效方法。原子分子的碰撞能量转移的研究随着可调谐激光器技术和激光光谱技术的发展已有了很大的进展。目前，用的比较多的常规方法是荧光光谱技术。它包括样品的制备、真空装置和探测装置。样品使用的是纯度达到三个9的碱金属，即99.9%，在高真空下（10-6Torr），在样品管（长10cm左右，直径1.52cm左右）中将碱金属（或它们的混合气体，或与稀有气体的混合）约几十到几百毫克加热蒸发充入，继续抽真空至约10-6Torr。对碱金属如Na、K、Rb和Cs的碰撞能量转移的研究，主要是通过它们的蒸气来进行的。加热使温度高于熔点，即可产生原子-分
15、子混合气体（atom-dimer），加热温度越高，样品密度也越高。一般碱分子的密度是原子密度的百分之几（1%4%）。当用不同波长的激光去激发时，通过探测装置纪录样品池中产生的荧光谱线和强度，可以获得碰撞的信息。近年来，人们用高分辨率光谱技术，如无多普勒饱和光谱学及双光子吸收光谱学等等，获得了更和更详细的碰撞信息。在原子-分子混合样品中，我们可以运用光学混合激发和碰撞能量转移过程，产生来自于分子或原子的受激辐射。在这类激发方式和过程中，可以是用一束激光激发分子，并通过处于激发态的分子与基态原子相碰撞，将能量转移给原子，而第二束激光(或同一束激光中的另一个光子)共振激发原子到更高位的激发态，从而产
16、生来自于原子的受激辐射；也可以是一束激光激发原子，然后通过原子-分子碰撞能量转移过程，使分子处于低激发态，而第二个光子又将分子激发到更高位的激发态，从而产生分子受激带辐射；还可以是用激光先激发分子，通过第一次分子-原子碰撞及第二次激发，使原子高位态获得布居而产生分子受激带辐射。下面就分别就对样品的激发及样品池中可能发生的碰撞能量转移过程作简单介绍。以下过程中A、B为基态原子，、为激发态原子，、为高激发态原子，下标的数字表示受到布居的能级。如果是原子态被共振激发，一般碰撞包含有三种：（1）激发态原子之间的碰撞，这个过程称作EP(Energy Pooling)过程。在EP过程中，两个激发态原子通过
17、碰撞使一个原子处于更高的激发态，另一个原子回到基态。测得这种能量转移过程的速率系数，可以获得原子之间以及原子与分子之间相互作用势的许多信息。只有当两个激发态原子的能级与更高激发态原子能级差E2kT时，EP过程才能有效进行。这个条件严格限制了可能的EP共振能级的数目。对同核系统，EP 过程可以表示为： （8）对异核系统，如Na-K，Na-Rb等，EP过程可表示为： （9）通过EP过程的研究，由于共振跃迁强度大，使得对激发态的研究变的相对容易。实验的目的是测量碰撞诱导系数k及碰撞截面，并且与计算的参数相比较，由此获得原子-原子和原子-分子相互作用势的范围。（2）激发态原子与基态原子之间的碰撞，这个
18、过程称作 REP(Reverse Energy Pooling)过程，是EP过程的逆过程。在REP过程中，一个高激发态原子与一个基态原子碰撞产生两个较低激发态的原子。通过对这一过程的速率系数和碰撞截面的讨论，同样可以获得原子之间以及原子与分子之间相互作用势的许多信息。REP过程与EP过程相比研究得相对较少。但与EP过程相比，它具有两个明显的优点1.2.3：在REP过程的研究中，我们只需测定基态原子密度和相关的荧光强度，避免了对样品池中原子分布状态的讨论；REP过程的碰撞转移速率系数不受辐射陷获效应的影响。因此，REP过程逐渐引起了人们的极大兴趣。最早的REP过程是由Yabuzaki1.2.4等
19、人在1978年从Cs蒸气中观察到的。随后人们对异核系统的REP过程进行了大量研究。与EP过程不同，REP过程需要探测高激发态原子和低激发态原子发射的荧光，而高激发态原子一般是由两步激发产生的，因此，在同核系统中，探测荧光时要受到激发光的影响，而在异核系统中，测量的是不直接被光激发的原子发射的荧光，故不受激发光的影响。所以，对同核系统的REP过程研究得较少，得到的碰撞转移速率系数和截面的误差较大；而对异核系统的REP过程研究得很多，得到的碰撞转移速率系数和碰撞截面值也较精确。对同核系统，REP过程可以表示为： （10） Yabuzaki2.4等人通过对Cs原子REP过程的研究： （11）测得Cs
20、（6D3/2）的碰撞转移截面为：=(1.5-0.7+1.5)10-14cm2。对异核系统，如 Na-K，Na-Rb等，REP过程可表示为： （12）S.Guldberg-Kjaer1.2.3等人在1997年研究了Na-K混合蒸气（5%的K，95%的Na，10-6Torr），用两台（769.9nmK（4S1/24P1/2）和583.2nmK（4P3/25D5/2）宽带连续染料激光器分两步激发K原子到5D态，测量了异核REP过程 （13）的转移速率系数和碰撞截面，并与Landau-Zener模型的计算值进行了比较。通过测量荧光强度得到460K时的速率系数：,；实验得到碰撞截面：=(220100)1
21、0-16cm2，由Landau-Zener模型计算得到的理论值为：=40010-16cm2。二者在数量级上保持一致。（3）激发态原子与基态分子间的碰撞，得到激发态分子与基态原子。这个过程可表示为： （14）此外，样品池中还可能发生如下过程：（4）辐射陷获辐射陷获指的是原子从一个激发态向另一个激发态辐射时，如Cs的7S6P和5D6P的荧光被俘获，导致辐射衰变率降低，即7S6P和5D6P的减少，从而影响到计算和测量的结果。陷获问题常用来分析对相关光谱线高度不透明的介质的性质。由于陷获，共振态的寿命可能被延长，使共振态成为亚稳态。这个问题的解决通常是额外地测量寿命或对结果进行纠正。另外就目前所知，陷
22、获效应对实验系统的几何尺寸是非常灵敏的。（5）荧光猝灭 如果辐射原子的共振线的激发能级与外来气体分子的振动能级十分接近的话，则这两种粒子碰撞就会引起激发态原子的无辐射去活化，此时激发态原子的激发能转化为分子的振动能，而自己无辐射地跃迁到基态或非激发态。这种过程称为猝灭。对于原子荧光光谱，当发生荧光猝灭时，二次辐射(发射荧光)的光子数比吸收初级辐射（激发态）的光子数大为减少，从而引起荧光减弱。猝灭的程度决定于受激原子的辐射去活化和碰撞去活化二者速率之间的竞争。它有荧光量子效率来定量描述。减少荧光池中起猝灭作用的粒子的浓度，可以有效地降低荧光猝灭的程度。以上只是关于低能原子分子碰撞的简单介绍，由于
23、碰撞是非常复杂的，量子理论不能得到明确的结果，必须从实验上首先进行分析和总结。我们讨论的过程有时是同时发生的，具体有那些情况发生，需要从实验条件和从实验结果上进行仔细分析。2 实验技术及研究方法2.1 激光发光技术 2.1激光发光技术是通过激发荧光直接测量被样品吸收的激光能量（光子），这种方法可以达到很高的灵敏度。其实验是这样，用激光照射能感生荧光的样品，用光电倍增管测量荧光的强度，调谐入射激光的频率，记录荧光强度与入射激光频率的关系，因为吸收愈强，荧光也愈强，所以这种方法的特点相当于测量被样品吸收的能量，即等效于测量吸收光谱。 图4 激光光谱的辐射跃迁图当激光波长调谐到吸收分子的一个跃迁时，
24、在吸收程内每秒钟被吸收的光子数为 （15）这里是入射激光的光子数，为每个分子的吸收截面，为吸收态的分子密度，如图4所示。每秒内由激光激发态发射的荧光光子数为 （16）这里,它所表示所有的能级总的自发辐射跃迁几率。为辐射跃迁的量子跃迁率，为无辐射跃迁几率。当能级不存在无辐射去激活过程时，则。这时对应每个被吸收的激光光子，将发射一个荧光光子，实际上，荧光是向所有方向发射的，因而光电倍增管的阴极仅能收集其中的一部分，光子的收集效率记作，当设倍增管的量子数效率为 （17）式中为光电子速率，为每秒入射到光阴极上的光子数，因此，每秒内所测得的光子数为 （18）当激光波长调谐扫描过感兴趣的吸收光谱区时，此时
25、测量荧光强度作为的函数，就得到一个所谓的“激发光谱”，它是吸收光谱的镜像，并且。实验结果表明，这种技术具有极高的信噪比。由于激发光谱具有很高的灵敏度，它已成功地应用于检测化学反应中的极稀薄的基团和短寿命的中间产物。除此之外，由于荧光信号与吸收分子成比例，因而可以从光谱中提取反应产物中间态的详细信息。2.2 激光感应荧光光谱原子分子被激光诱导处于激发态之后，可以自发发射荧光，通过在与激光束垂直的方向上测量这些荧光光强来研究原子分子激发态的方法，称为激光感应荧光光谱方法。以激光为光源获得的共振荧光光谱称为激光感应荧光光谱，对激光感应荧光光谱的详细分析能获得相当精确的分子基态能级常数。单位光谱区内的
26、谱线数称作光谱密度，激光感应荧光光谱比常规吸收光谱的光谱密度降低两个量级、甚至更多。实验装置如图5。 图5 激光感应荧光光谱与原子相比，分子的能级和分子光谱是极其复杂的：分子也有许多电子态，每个电子态可有数十个振动态，每个振动态可有数以百计的转动态；振转能级之间的间隔不大；基电子态中的许多振转能级上都存在热布居；分子的许多电子态相互重叠，电子态能级参数及激发态受微扰的情况还不清楚。采用激光干感应荧光光谱法，选择激发分子的一个或极少数几个跃迁，使原来由上百条谱线构成的一个谱带变成由二到三条谱线构成的单一谱带列或序，可使分子能级和光谱的研究大大简化。激光感应荧光光谱LIF(Laser Induce
27、 Flurescence)的应用范围从分子光谱的标识、分子常数、跃迁几率和弗兰克-康登因子的测量、碰撞能量转移直至碰撞过程的研究或化学反应物中内能态粒子数的确定。其优点有：（1）激光感应荧光光谱得到的荧光线相对简单，用中型分光仪就可分辨。激光感应荧光光谱比常规吸收光谱的光谱密度降低两个量级、甚至更多。（2）许多高强度的激光线可使受激能级的粒子数密度很大，对应的产生高强度的荧光线，以致可以探测到Franck-Condon因子很小的跃迁。（3）荧光线的相对强度正比于Franck-Condon因子用RKR势能曲线薛定谔方程计算得到Franck-Condon因子与测量得到的相对强度间的比较，可灵敏地检
28、验势能曲线的准确性。激光感生荧光光谱术是一种非常灵敏的技术。3实验仪器3.1 激光光源Nd:YAG (型号：法Brilliant MNL205-C)是一台高功率固体激光器，产生脉冲激光的频率为10Hz，脉冲宽度为4-6ns，通过该激光器的激光在 680-980nm波长范围内调谐，输出功率在180mJ范围内。泵浦的光学参量振荡器(OPO)被认为是获得传统激光器所达不到的光谱范围内的相干光的理想光源，是利用非线性晶体的混频特性实现光学频率变换的器件。一台OPO就可以在非常宽的光谱范围中获得连续可调谐的输出，在时间域上OPO可以连续输出诸如纳秒等超短脉冲激光。3.2 样品池实验所使用的碱金属纯度达到
29、99.9%，它们是在真空（约10Torr）下提炼到小玻璃瓶中，重量约为一克左右。为了制作成我们所需的样品，必须在真空系统下，提高真空度并重新封装或混合封装。在高真空下（大约10Torr），将碱金属约几十到几百毫克敲碎玻璃瓶充入十字交叉炉加热蒸发。十字交叉炉有5臂，上方由四个热管连接组成一个平面，每个臂均由长约15cm、直径约5cm、厚约1.3mm的不锈钢管构成，焊接后用O型环配以青铜法兰固定蓝宝石窗片，在每个臂上缠绕加热棒（炉丝），整个加热部分用耐火砖包住，在窗片附近绕有水冷管，以防止碱金属沉积。下方是一小臂，用于放置碱金属。整个加热炉和真空装置相连，可通入各种气体，由气压计测量气压。十字交叉
30、加热炉与样品管一体，使用方便，温度调节范围大，恒温性好。但每次更换样品前要反复清洗，以避免污染，在调节光路时不能用CCD直接观测，所以在实验中根据具体要求选择样品池和加热装置。为了得到碱金属蒸气，必须对碱金属样品进行加热，且温度必须高于碱金属的熔点。加热温度直接影响到样品的蒸气压，从而决定样品的蒸气密度。样品密度是实验中一个重要数据，直接影响到实验结果，所以加热装置和温度的测量是非常重要的。实验要求温度要保持恒定，温度漂移尽量小。温度的高低直接影响到样品的蒸气压，从而决定样品的蒸气密度。样品密度是实验中一个重要数据，直接影响到实验结果，所以加热装置和温度的测量是非常重要的。为了得到碱金属蒸气，
31、必须对碱金属样品进行加热，且温度必须高于碱金属的熔点。本实验要求温度要保持恒定，温度漂移尽量小。所以对加热炉的设计要求较高。十字热炉管是用的比较多的加热炉，这是因为它的性能十分稳定。在本实验中，我们自制了加热装置。加热炉使用的是不锈钢热管炉，内壁绕有炉丝，外加石墨保温装置，这种材料耐高温且使用寿命长，加热温度范围为02000。3.3 热电偶热电偶(Thermocouples)是一种利用金属或半导体材料的温差效应制成的测温计，其原理：两种不同的金属或半导体材料两端相连结而构成一闭合环路。当两个结点的温度不同时，回路中要产生温差电动势，则在环路中出现电流，这个环就是热电偶的核心，用来监测样品池的温
32、度。3.4 光子计数器光子计数器(Photon-Counter) (型号：美PRINCETON-1109) 是一种新的测量弱光信号技术，它是基于光的电子性质，光量子打在光电倍增管光电阴极上，经过数个打拿极倍增后在其阳极输出端产生光电子脉冲。经过放大器放大后，得到幅度相等的电压脉冲，然后用高速计数器测量光电子数。3.5 扫描单色仪扫描单色仪（型号：美SP-2150i）主要是利用光栅作为分光元件，将入射的复色光分解为分布于全波段的可供任意选择的光谱宽度很窄的单色光，焦距为0.15m。其优点是波段的范围宽广(200nm-1200nm)，在全波段色散均匀，单色光的波长可以达到非常准确的程度。当一束复合
33、光线进入光谱仪的入射狭缝，首先被准直成平行光，再通过衍射光栅色散按波长分开，利用不同波长偏离光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像出射狭缝。4 实验研究及实验分析本文研究KH分子基态中高位振动态的产生和能量转移过程：图6 振动能级的布居和去布居过程如图6所示，先双光子激发K（4S）原子至6S态， (19)激发态K（6S）原子与H2分子发生反应，生成基态KH分子 , (20)再用728nm的激光将基态KH分子从低振动态激发到高位振动态 (21)此外，态还可与H2碰撞发生能量转移 (22)其中与之差约为290cm-112，由于实验温度为613 K，故过程(22)可能进行。为了证实高位振动态是否已经产生
34、，再用728nm的激光将处于基态中高位态的KH分子激发到激发态，将处于基态中高位态的KH分子激发到激发态，观察从激发态自发辐射的荧光。表1 激发态自发辐射的荧光波长 v=108613.99 523.93 nm 539 nmv=119252.21542.05558v=129858.75560.48577v=1310433.61579.14597v=1410976.79597.95 617v=1511488.29618.82637v=1611968.11635.63660v=1712416.25654.65678v=1812832.71672.59700v=1913217.49690.46 717
35、.11v=2013570.59707.72735v=2113892.01724.19 753.55v=2214181.75739.71 770.38由表1可知，若能观察到波长小于728nm的荧光，则可以证实基态KH分子的高位振动态已经产生。4.1 实验装置与测量方法实验装置如图7所示，样品池为一个不锈钢材料制成的十字交叉炉，其下方有一个放置金属K的小臂。在真空度达10-4Pa后充入5000Pa的H2，气压由气压计测定。用电热器加热热管炉，温度由热电偶测量，池体温度613K。充入的H2既作为与K激发态的反应粒子,又作为缓冲气体，阻止K蒸汽在窗片上沉积。实验装置见图7，Nd:YAG脉冲激光器泵浦光
36、参量振荡器（OPO)，将OPO(泵浦激光)波长调至728nm，双光子激发K（4S）原子至K（6S）态，激发态K（6S）原子与H2分子发生反应，生成基态KH分子,728nm的激光将基态KH分子从低振动态激发到高位振动态。OPO能量约为几mJ以避免多光子（n2）吸收过程。图7 实验装置HP：十字加热炉 ；YAG：脉冲激光器；OPO：光参量振荡器；M：单色仪；PMT：光电倍增管；OF：光纤探头； VS：真空系统；PC:光子计数器在与激光束垂直的方向探测从激发态自发辐射的荧光。荧光，荧光由透镜聚焦到单色仪狭缝上，由单色仪分光后经光电倍增管放大，通过光子计数器记录时间积分荧光强度，积分时间为50毫秒,而
37、杂散光（主要是Rayleigh散射光）及光电倍增管的暗计数作为背景扣除。4.2 实验结果与讨论图8 实验所得激光感应荧光光谱图9 实验所得激光感应荧光光谱图8、图9为实验所观察到的激光感应荧光光谱，由图中可以观察到LIF（1）系列635.63nm（ ）、654.65nm（）、672.59nm（）、690.46nm（）、707.72nm（）的荧光证实了态的产生，即证实了KH分子基态中高位振动态的产生，而由图中观察到的LIF（2）系列617nm（） 637nm（）、660nm（）、700nm（）、717.11nm（）证实了态的产生，即证实了（）的能量转移过程，也就证实了KH分子基态中高位振动态的能
38、量转移。 结论本文利用激光感应荧光法，样品池温度为613K条件下，利用OPO泵浦脉冲激光器波长为728nm，双光子激发K（4S）原子至6S态，激发态K（6S）原子与H2分子发生反应，生成基态KH分子，再用728nm的激光将基态KH分子从低振动态激发到高位振动态，实验观察到从激发态自发辐射的荧光，证实了KH分子中高位振动态的产生以及能量转移过程。本文有如下创新点：通常情况下，在涉及原子与原子、分子间反应的光谱实验中，至少需要两台激光器：其中一台激光器激发碱原子至激发态，使其与其它原子、分子发生反应，生成新的基态分子;另一台激光器激发基态分子至基态中的高位振动态或激发态。本实验中只使用一台激光器，
39、选择适当的能级，用同一波长的光既激发了K原子，又激发KH分子至基态中的高位态和激发态，既简化了实验装置和测试过程，又得到了预想的结果，具有一定的创新性。后续工作：本实验中激光器线宽较大，波长还有漂移，测得的荧光也较弱，定量分析较困难。若利用功率大、线宽窄的钛宝石激光器作为激发光，用ICCD（像增强器）检测时间分辨荧光、时间积分荧光，得到强度更高，线宽更窄的荧光光谱，则可以测量能级寿命，并由此计算出转移速率系数和转移截面。参考书目与文献1Vacla C, Horvatic V, Niemax K. Radiation transport and collisional transfer of e
40、xcitation energy in Cs vapors mixed with Ar or HeJ. Spectrochim. Acta, 2003,B53:1235.2Movre M, Vacla C, Horvatic V. J. Mixing and quenching of the Cs5DJ states induced by collisions with caesium ground-state atomsJ. J. Phys.,2000,B33:3001.3沈异凡,李万兴. NaK(E)态的离解和Na(3)精细结构分支比J.中国激光,2002,A29(10):879.4 Li
41、u Jing, Dai Kang, and Shen Yifan . Collisional broadening of some lines in Na2 molecules by optical-optical double resonance spectroscopyJ.Chinese Optics Letters,2006,4(7):376.5 Shen Yifan, Dai Kang, Mu Baoxia et al. Energy-pooling collisions in Rb-Cs vapor mixture Rb(5)+Cs(6P3/2) Rb(5S1/2)+ Cs(n)J.
42、Chinese Optics Letters,2006,4(9):501.6Correll.T.L, Horvatic V, Omenetto N et al. Experimental evaluation of the cross sections for the Cs(6D)Cs(7PJ) and Cs(6D5/2)Cs(6D3/2) collisional transfer processes induced by He and Ar J .Spectrochim.Acta,2006,B61:623.7 P.S. Julienne, J. Vigue, Cold collisions
43、of ground- and excited-state alkalimetal dimersJ, Phys. Rev. ,1991,A 44 :4464.8C. Vadla, S. Knezovic, M. Movre, Rubidium 52P fine-structure transitions induced by collisions with potassium and caesium atoms J.J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. ,1992,25: 1337.9C. Gabanini, S. Gozzini, G. Squadrito, et a
44、l, Energy pooling collisions for K (4P)qRb (5P) and Na (3P)qRb (5P) heteronuclear systems J. Phys.Rev. ,1989,A 39: 6148.10M. Lukaszewski, I. Jackowska, J mixing in nD (n=1014) states of caesium induced in collisions with noble-gas atoms J.J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. ,1991, 24 :2047.11F. Siegling, K. Niemax, Low-pressure noble gas broadening of the Cs resonance lines J.Z. Naturforsch. ,1984,39a: 447.12I. Jackowska, M. Lukaszewski, Cross-sections for J mixing in 8D and 9D states of caesium in collisi