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本书是在国家自然科学基金等项目研究成果的基础上对高灵敏度光谱技术的基本原理和其在痕量检测中应用。

内容简介

本书是在国家自然科学基金等项目研究成果的基础上对高灵敏度光谱技术的基本原理和其在痕量检测中应用。主要内容包括原子分子理论、激光技术与光电探测技术、双原子分子自由基的光谱的实验与理论、利用可调谐半导体二极管吸收光谱技术及应用、发射光谱技术的原理和应用、Mie散射光谱的基本原理及在可吸入颗粒物测量中的应用。

作者简介

李传亮，现为太原科技大学副教授，理学博士，硕士生导师。2011年博士毕业于华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室，光学专业。目前主要研究原子分子激光光谱学、光电测量和传感技术。目前主持的项目有：国家自然科学青年基金1项、精密光谱科学与技术国家重点实验室开放课题1项、山西省自然科学基金1项、山西省高校创新项目1项、中国科学院时间频率基准重点实验室开放基金课题1项。在《J. Phys. Chem. A》、《J. Mol. Spectrosc.》、《J. Chem. Phys.》、《Comput. Theor. Chem.》、《Chin. Opt. Lett.》等SCI期刊上发表**和通讯作者论文十多篇。

目录

第1章 高灵敏光谱理论 1
1．1 原子光谱理论 1
1．1．1 引言 1
1．1．2 角动量理论 3
1．1．3 氢原子和多电子原子的光谱 7
1．2 高灵敏度分子光谱理论 22
1．2．1 双原子分子电子-振动-转动光谱 23
1．2．2 双原子分子电子态及其耦合 31
1．2．3 微扰和预解离动力学理论 38
1．2．4 分子光谱结构及分子常数的获取 40
1．3 光谱强度及原子的超精细结构和外场效应 45
1．3．1 原子和分子的光谱跃迁 45
1．3．2 超精细结构 53
1．3．3 塞曼效应和斯塔克效应 53
参考文献 56
第2章 高灵敏激光光谱仪器 58
2．1 激光光源和器件 58
2．1．1 激光光源 59
2．1．2 激光器 60
2．1．3 激光的噪声 62
2．2 激光光学元器件 64
2．2．1 光学材料 64
2．2．2 光学元件波长特性和表面质量 67
2．2．3 反射镜 68
2．2．4 透镜 73
2．3 光谱测量仪器 80
2．3．1 干涉仪 81
2．3．2 光谱仪 87
参考文献 94
第3章 瞬态双原子分子光谱及其动力学 96
3．1 自由基分子的高灵敏度激光光谱测量系统 97
3．1．1 瞬态分子的生成系统 97
3．1．2 速度和浓度调制光谱 99
3．1．3 光外差探测技术 100
3．1．4 光外差速度/浓度调制激光光谱技术 102
3．2 自由基分子的高灵敏度激光光谱分析 103
3．2．1 CS中性自由基分子光谱 103
3．2．2 CS+分子离子光谱 104
3．2．3 He2准分子（范德瓦尔斯分子）光谱 113
3．3 CS的微扰动力学研究 115
3．3．1 微扰光谱的分析 115
3．3．2 微扰光谱的哈密顿量 116
3．3．3 d3Δ态的微扰动力学 118
3．4 He2分子光谱与预解离动力学研究 123
3．4．1 He2分子研究背景 123
3．4．2 He2分子光谱结果和讨论 123
3．4．3 He2分子预解离理论分析 126
参考文献 127
第4章 瞬态双原子分子的高精度量化计算 132
4．1 双原子分子离子计算的基本原理 132
4．1．1 分子电子状态构造原理（?，S）、（J，J）耦合 132
4．1．2 双原子分子的电子态 133
4．1．3 从头计算方法简介 135
4．2 C-2的高精度光谱计算 137
4．2．1 C-2的从头计算过程 137
4．2．2 C-2的计算结果与讨论 139
4．3 CF-的理论计算 146
4．3．1 CF-的研究背景 146
4．3．2 CF-的从头计算过程 147
4．3．3 CF-的计算结果与分析 149
4．4 BD+的激光冷却理论研究 154
4．4．1 BD+的激光冷却研究背景与意义 154
4．4．2 BD+的从头计算过程 155
4．4．3 BD+的激光冷却研究过程模拟与结果 156
参考文献 162
第5章　基于多光程技术的高灵敏TDLAS技术及其应用 168
5．1　TDLAS技术基本原理 168
5．1．1　Lambert-Beer定律 168
5．1．2　分子吸收线型与线宽 169
5．1．3　TDLAS测量技术 172
5．2　新型Herroitt多光程池的设计 175
5．2．1　Herriott型长光程池设计理论 176
5．2．2　新型Herriott长光程模拟 177
5．2．3　螺旋式Herroitt多光程池 180
5．3　基于F-P腔的腔锁定吸收光谱技术 184
5．3．1　实验装置 184
5．3．2　控制原理 186
5．3．3　实验结果与讨论 187
5．4　光外差-Herriott型多光程吸收光谱技术 190
5．4．1　光外差光谱原理 190
5．4．2　光外差-Herriott多光程吸收光谱装置 191
5．4．3　结果分析与讨论 192
5．5　高灵敏度的CO和CO2光谱研究 193
5．5．1　CO和CO2光谱研究的意义 193
5．5．2　实验装置 194
5．5．3　CO的光谱测量与分析 196
5．5．4　基于双谱线的CO和CO2浓度测量 200
参考文献 204
第6章　发射光谱技术及其应用 208
6．1　超声分子束SO自由基放电光谱 208
6．1．1　超声分子束光谱测量系统 208
6．1．2　实验结果分析与讨论 209
6．2　基于LIBS光谱技术的合金痕量掺杂检测 211
6．2．1　LIBS实验测量系统 211
6．2．2　实验结果与讨论 215
6．3　辐射光谱测温应用 219
6．3．1　黑体辐射测温理论 220
6．3．2　辐射测温实验系统 222
6．3．3　实验结果与讨论 224
参考文献 227
第7章　基于Mie散射光谱的可吸入颗粒物检测仪 230
7．1　Mie散射的基本理论 231
7．2　消光法的数据处理方法 236
7．2．1　消光系数的计算过程 236
7．2．2　可吸入颗粒物浓度的计算 239
7．3　便携式多光程池的可吸入颗粒物检测装置 239
7．3．1　多光程可吸入颗粒物测量装置 239
7．3．2　实验结果与讨论 242
参考文献 249

前言/序言

光谱是研究光与物质之间相互作用的一门学科，人类得到的大部分原子分子结构信息都是基于光谱学的研究。因此，光谱学对原子分子物理学、化学、生物分子学的研究做出了突出的贡献。原子分子结构及其与环境的相互作用是通过电磁波辐射与物质相互作用产生的吸收和发射光谱获得的。由于激光具有单色性好、能量谱密度高、超高的时间和频率分辨性，所以，它的产生使光谱学发生革命性的变化。目前的高灵敏度光谱检测技术几乎无一缺少激光的“身影”。

随着人们对微观分子和宏观宇宙的不断探索和了解，观测到了大量分子光谱谱线，这些光谱信号需要在实验室中重现和确认，而实验室中所产生“特定分子”的效率很低，尤其是一些寿命短的自由基分子，传统的光谱技术探测较为困难。此外，在工业生产、环境测量及医学检测领域的一些关键测量对象的浓度也非常低。以环境中的主要温室气体之一的甲烷为例，其在大气中的本底约为2ppm（ppm，百万分之一），而其变化值只有几百ppb（ppb，十亿分之一），甚至更低。因此，检测这些痕量物质有着非常重要的意义，在相当多的场合中，高灵敏度激光光谱技术是必不可少的。

本书内容主要建立在著者及其科研团队所从事的高灵敏度激光光谱技术在痕量检测研究的理论、实验及工程应用研究的相关成果，以及近年来承担的相关科研项目和本科及研究生教学基础上，对激光光谱的检测技术进行归纳、分析和总结。

全书分为7章。第1章为高灵敏光谱理论，主要阐述玻尔原子理论、波函数和角动量理论及原子的外场效应，并简要介绍分子振动-转动光谱理论；第2章介绍了高灵敏激光光谱仪器，内容包括基本的光学元件、各种光谱仪、激光器的基本原理；第3章重点分析了自由基分子光谱及动力学，首先讨论了高灵敏度自由基分子光谱检测技术和双原子瞬态分子的光谱理论计算原理，然后具体介绍CS、CS+、He2等瞬态分子光谱结构和量子态之间的动力学相互作用；第4章主要阐述基于量化计算的光谱理论，计算了C2-、CF-分子的光谱特性并研究了BD+的激光冷却；第5章主要介绍了可调谐半导体二极管吸收光谱技术及其应用；第6章为发射光谱技术，内容包括射流束放电光谱、超声分子束光谱、激光烧蚀光谱技术及辐射光谱测温技术；第7章为散射光谱技术，内容包括Mie散射的基本原理、消光法的数据处理方法，以及便携式多光程池的可吸入颗粒物监测仪研制。