增强型光声光谱的研究和应用

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现代光声光谱技术是在声电弱信号检测以及计算机科学发展的基础上,综合光、热、电、声等原理与技术的光谱分析新方法。由于其特有的灵敏度较高、操作简单等特点,因而在化学、生物、医学等领域得到广泛的应用。 本论文旨在探索增强型光声光谱产生的机理、增强机制及其应用。以规则光声池的光声理论为基础,得到增强型光声池的声场模式、共振频率、品质因子及其损耗机制;详细探讨了H形光声池内声探测器的机械共振对光声池品质因子的影响,丰富和发展了增强型光声光谱技术。另外,我们用傅立叶变换光谱仪和光学长程装置,记录了CH2Cl2分子振动量子数V=1~4的红外吸收光谱,分析了CH摇摆振动与伸缩振动和弯曲振动之间的耦合。论文的主要内容归纳如下: 在第一章,我们首先介绍了光声光谱的发展历程,概括了光声技术发展的四个阶段。然后介绍了以多通共振超声探测光声池和石英增强型光声池、H形光声池为代表的脉冲激光和机械共振光声技术的最新进展。 在第二章,我们论述了光声效应产生的机理,介绍了描述光声池内声压分布的数学方法,引进了简正声学模的概念。在理想条件下,推导出含源波动方程。计算了标准圆柱池内的声模式。讨论了气体内部、光声池壁上和气体分子内自由度产生的声能损耗,及其对共振频率和品质因子的影响;这些是声能在光声池内的主要损耗原因。在此基础上,建立了包含损耗的含源波动方程。利用边界微扰法求解波动方程,得到光声池的品质因子、声模式、共振频率及其平移和展宽的普遍公式。 在第三章,我们重点研究了H-type光声池,采用数值计算方法得到了H形光声池内的声场分布和声探测器的机械共振频率,明确了高Q值的出现是光声池内气体的共振与传音器机械共振耦合的结果。阐述了内耗与阻尼的唯象理论;论述了其品质因子高的原因之一是传音器越短,整个光声池越接近标准径向共振圆柱形光声池。同时通过声场的数值计算表明l=λ/2时,共振峰的分裂是光声池的固有性质。 在第四章,我们用傅立叶变换光谱仪(FTS)和光学长程装置,记录了CH2Cl2分子振动量子数V=1~4的红外吸收光谱(1200~12000cm-1),归属出CH的伸缩(υ1、υ6)振动、弯曲(υ2)振动和CH2基团相对于CCl2基团的摇摆振动(υ8)的泛频和合频能级共47个。考虑了摇摆振动与伸缩和弯曲振动的耦合,使用简正模模型对υ1、υ2、υ6和υ8这4种振动模式的泛频和合频能级进行了拟合,得到了非谐性常数、费米共振和达宁—丹尼生共振系数。结果表明,摇摆振动与伸缩振动之间的费米共振大于弯曲振动与伸缩振动之间的费米共振;伸缩振动之间的达宁—丹尼生共振大于弯曲振动与摇摆振动之间的达宁—丹尼生共振。用拟合得到的光谱参数计算出CH2Cl2分子的振动能级,与实验数据很好地符合。
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