一种测量分子转动能级结构的方法技术

本发明专利技术一种测量分子转动能级结构的方法。本发明专利技术基于常规的分子电离光谱技术实现分子的电离和探测，如果需测量的分子转动能级上有分子布居，引入脉冲亏蚀激光将分子由基态转动态转移到激发态转动态从而使基态分子数目发生了转移损耗，扫描亏蚀光的频率时记录基态分子电离后的信号强度就可以反映分子布居转动态结构；如果需测量的分子转动能级上没有分子布居，先引入脉冲微波将分子有布居转动态转移到未布居转移态，再使用上述亏蚀激光探测分子布居转动态结构的方案，将亏蚀激光耦合分子未布居转动态，也可以将亏蚀激光耦合分子布居转动态，扫描微波频率时记录基态分子电离后的信号强度变化就可以反映分子布居转动态与未布居转动态之间的能级跃迁。

A method for measuring the structure of molecular rotational energy level

A method for measuring the structure of the rotational energy level of a molecule. The invention realizes the detection of ionization and molecular ionization spectroscopy based on the conventional, if the molecules required measurement of rotational energy on molecular population, introducing pulse laser will turn from ground state depletion molecular dynamic transfer to the excited state to ground state molecules so that the number of dynamic transfer loss occurs, when the frequency of light scanning loss record signal the intensity of ground state molecules ionized can reflect the molecular population to dynamic structure; if need to measure the rotation of the molecules in the molecular level without cloth, first introduced microwave pulse will have molecular population to dynamic transfer to an population transfer state, and then use the red laser detecting molecular population to the dynamic structure of the scheme. The loss of laser coupling molecules do not population dynamic transfer, can also be in the laser coupling molecular population transfer dynamic scanning microwave frequency recording molecule ionized channel The change of number intensity can reflect the energy level transition between the dynamics of molecular distribution and the dynamics of non distribution.

【技术实现步骤摘要】
一种测量分子转动能级结构的方法
本专利技术涉及电离光谱探测分子能级结构
，具体为一种测量分子转动能级结构的方法。
技术介绍
分子能级的测量对研究分子结构常数、能态操控、势能曲线及动力学演化都有重要意义。分子由原子组成，但其能级结构远比原子能级复杂，即使在不考虑电子自旋和原子核自旋的情况下，也包含了电子态、振动态、以及转动态。其中，振动态和转动态都是分子独有的能级结构。为了测量分子的能级结构，研究人员发展了各种光谱技术手段，包括激光诱导荧光光谱、时间分辨光谱、直接吸收光谱、电离光谱等。其中，前两种光谱技术适合于获取分子激发态向基态辐射跃迁相关的信息，后两者适合于测量分子基态能级结构。分子自发辐射的电子态通道众多、且无法控制，而分子的基态电子态是唯一的、是分子稳定存在的状态，因此探测基态分子的能级结构尤为重要。直接吸收光谱的优点是分辨率高，可以达到MHz量级甚至更高，但缺点是灵敏度低，因此需要较大的分子密度且需要上下能级具有较强的分子跃迁几率。电离光谱的探测器可以使离子信号放大106-108倍，因此电离光谱的灵敏度非常高，甚至可以实现单个离子的探测。其缺点是分辨率低，原因在于电离光选用的高能量脉冲激光的线宽都达到了至少GHz量级，有些达到了十几GHz。因此电离谱技术只能分辨分子的振动态，无法测量频率间隔较小的转动态能级结构(通常到达了几十MHz量级)。如果能专利技术一种既具有分子电离光谱技术灵敏度、又具有直接吸收光谱技术分辨率的测量分子转动能级结构的方法，将会促进基于分子转动能级结构的相关应用和科学研究。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有电离光谱技术不能测量分子转动能级结构的问题，提出了一种既保持了电离光谱技术灵敏度，又可测量基态分子转动能级结构的方法。本专利技术为解决上述问题而采取的技术方案为：一种测量分子转动能级结构的方法，包括以下步骤：(1)用电离光谱技术对布居在基态振动态上的分子进行探测，具体操作如下：使用高能量脉冲激光，将处于基态振动态的分子首先激发到分子激发态振动态，使用相同的高能量脉冲激光再次将分子激发态振动态激发到分子电离态，然后用微通道板探测器或者通道电子倍增器探测电离态的分子；(2)采用半导体激光器将一束线宽在MHz量级、功率在mW量级的激光作用到基态振动态的分子上，作用时间在ms量级，其中在半导体激光器的前方光路上设置一个挡光板，通过调整挡光板的开和关来调整激光的作用时间，该激光称为亏蚀激光；(3)如果需测量的分子转动能级上有分子布居，采用亏蚀激光对该分子转动能级进行探测，具体操作如下：(a)调谐亏蚀激光的频率使其共振于分子基态转动态和分子激发态转动态，将分子由基态转动态转移到激发态转动态，由于激发态分子的能级寿命在ns量级，分子很快会自发辐射到基态的其它振动态；(b)关闭亏蚀激光、采用高能量脉冲激光对分子离子进行探测，由于亏蚀光耦合的基态分子数目发生了转移损耗，因此发生光电离的分子数目会减少，分子离子信号减少的数量就反映了对应转动态上分子的布居；(c)扫描亏蚀激光的频率，同时记录基态分子电离后的信号强度变化，该信号强度变化反映基态某一振动态上转动态的分子布居，信号强度变化越大，说明分子布居越多；(4)如果需测量的分子转动能级上没有分子布居，结合微波转移和亏蚀激光实现对该分子转动能级的探测，具体操作如下：(a)首先，采用微波源对基态分子作用脉冲微波，作用时间在ms量级，使微波频率调谐于布居分子转动态和未布居分子转动态之间，可以将布居分子转动态的分子转移到未布居分子转动态；(b)然后作用一束亏蚀激光，作用时间在ms量级，如果使亏蚀激光的频率调谐于分子基态未布居转动态和分子激发态转动态共振位置，当关闭亏蚀激光、打开电离光后，发生光电离的分子数目会减少；如果使亏蚀激光的频率调谐于分子基态布居转动态和分子激发态转动态共振位置，当关闭亏蚀激光、打开电离光后，发生光电离的分子数目会在步骤(3)亏蚀激光导致数目减少的基础上反向增加；(c)扫描微波频率，同时记录基态分子电离后的信号强度变化，该信号强度变化反映基态某一振动态上布居转动态与未布居转动态之间的能级跃迁，信号强度变化越大，基态某一振动态上布居转动态与未布居转动态之间的能级跃迁越强。本专利技术采用上述技术方案，解决了目前电离光谱技术探测分子能级结构时无法测量频率间隔较小的转动态能级结构的技术问题。本专利技术基于常规的分子电离光谱技术实现分子的电离和探测，如果需测量的分子转动能级上有分子布居，引入脉冲亏蚀激光将分子由基态转动态转移到激发态转动态从而使基态分子数目发生了转移损耗，扫描亏蚀光的频率时记录基态分子电离后的信号强度就可以反映分子布居转动态结构；如果需测量的分子转动能级上没有分子布居，先引入脉冲微波将分子有布居转动态转移到未布居转移态，再使用上述亏蚀激光探测分子布居转动态结构的方案，将亏蚀激光耦合分子未布居转动态，也可以将亏蚀激光耦合分子布居转动态，扫描微波频率时记录基态分子电离后的信号强度变化就可以反映分子布居转动态与未布居转动态之间的能级跃迁。本专利技术所述方法既保持了电离光谱技术灵敏度，对布居分子转动态和未布居分子转动态的能级和跃迁强度都可测量，可以获取基态分子转动能级结构的完整信息。附图说明图1是本专利技术利用亏蚀激光和微波源测量分子转动能级结构时涉及的分子能级示意图；图2是本专利技术实施案例1利用亏蚀激光测量的RbCs分子基态X1Σ+、振动态v＝0的转动态布居；图3是本专利技术实施案例2利用微波跃迁测量的RbCs分子基态X1Σ+、振动态v＝0上布居转动态与未布居转动态的跃迁。具体实施方式实施例1测量RbCs分子基态X1Σ+、振动态v＝0的转动态布居。具体操作如下:(1)使用能量为1mJ、直径为3mm、脉冲宽度为7ns的高能量脉冲激光，将处于X1Σ+，v＝0基态振动态的RbCs分子首先激发到23Π0+，v＝8激发振动态，该脉冲激光再次将该激发振动态的分子激发到RbCs分子电离态，然后通过微通道板探测器探测电离态的RbCs分子；(2)准备一台半导体激光器作为亏蚀激光，激光线宽为2MHz，使用的激光功率为2mW，采用光学开关装置获得作用时间为2ms的脉冲亏蚀激光；(3)按如下操作探测RbCs分子基态X1Σ+、振动态v＝0的转动态布居：(a)亏蚀激光频率调谐于基态X1Σ+的v＝0振动态和激发态23Π0+的v＝8振动态的跃迁附近。(b)作用2ms的脉冲亏蚀激光，之后打开高能量脉冲激光对RbCs分子进行电离并用微通道板进行探测。(c)扫描亏蚀激光频率，得到RbCs分子电子态X1Σ+、振动态v＝0上分子转动态布居，如图2所示。图中的横坐标是亏蚀光激光频率，纵坐标是归一化的RbCs+分子离子信号，实线是洛伦兹公式拟合曲线。分子离子信号的减少量对应分子在该转动态的布居量，图中两个峰值位置分别对应X1Σ+电子态v＝0振动态上转动态J＝0和转动态J＝2到上能级23Π0+电子态v＝8振动态上J＝1和J＝3转动态的跃迁，激光频率差值就是这两个转动态的能级间隔。实施例2测量RbCs分子基态X1Σ+、振动态v＝0上布居转动态与未布居转动态的跃迁。具体操作如下:(1)使用能量为1mJ、直径为3mm、脉冲宽度为7ns的高能量脉冲激光，将处于X1Σ+，v＝0基态振动态的RbCs分子首本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量分子转动能级结构的方法，其特征是包括以下步骤：(1)用电离光谱技术对布居在基态振动态上的分子进行探测，具体操作如下：使用高能量脉冲激光，将处于基态振动态的分子首先激发到分子激发态振动态，使用相同的高能量脉冲激光再次将分子激发态振动态激发到分子电离态，然后用微通道板探测器或者通道电子倍增器探测电离态的分子；(2)采用半导体激光器将一束线宽在MHz量级、功率在mW量级的激光作用到基态振动态的分子上，作用时间在ms量级，其中在半导体激光器的前方光路上设置一个挡光板，通过调整挡光板的开和关来调整激光的作用时间，该激光称为亏蚀激光；(3)如果需测量的分子转动能级上有分子布居，采用亏蚀激光对该分子转动能级进行探测，具体操作如下：(a)调谐亏蚀激光的频率使其共振于分子基态转动态和分子激发态转动态，将分子由基态转动态转移到激发态转动态，由于激发态分子的能级寿命在ns量级，分子很快会自发辐射到基态的其它振动态；(b)关闭亏蚀激光、采用高能量脉冲激光对分子离子进行探测，由于亏蚀光耦合的基态分子数目发生了转移损耗，因此发生光电离的分子数目会减少，分子离子信号减少的数量就反映了对应转动态上分子的布居；(c)扫描亏蚀激光的频率，同时记录基态分子电离后的信号强度变化，该信号强度变化反映基态某一振动态上转动态的分子布居，信号强度变化越大，说明分子布居越多；(4)如果需测量的分子转动能级上没有分子布居，结合微波转移和亏蚀激光实现对该分子转动能级的探测，具体操作如下：(a)首先，采用微波源对基态分子作用脉冲微波，作用时间在ms量级，使微波频率调谐于布居分子转动态和未布居分子转动态之间，可以将布居分子转动态的分子转移到未布居分子转动态；(b)然后作用一束亏蚀激光，作用时间在ms量级，如果使亏蚀激光的频率调谐于分子基态未布居转动态和分子激发态转动态共振位置，当关闭亏蚀激光、打开电离光后，发生光电离的分子数目会减少；如果使亏蚀激光的频率调谐于分子基态布居转动态和分子激发态转动态共振位置，当关闭亏蚀激光、打开电离光后，发生光电离的分子数目会在步骤(3)亏蚀激光导致数目减少的基础上反向增加；(c)扫描微波频率，同时记录基态分子电离后的信号强度变化，该信号强度变化反映基态某一振动态上布居转动态与未布居转动态之间的能级跃迁，信号强度变化越大，基态某一振动态上布居转动态与未布居转动态之间的能级跃迁越强。...

【技术特征摘要】
1.一种测量分子转动能级结构的方法，其特征是包括以下步骤：(1)用电离光谱技术对布居在基态振动态上的分子进行探测，具体操作如下：使用高能量脉冲激光，将处于基态振动态的分子首先激发到分子激发态振动态，使用相同的高能量脉冲激光再次将分子激发态振动态激发到分子电离态，然后用微通道板探测器或者通道电子倍增器探测电离态的分子；(2)采用半导体激光器将一束线宽在MHz量级、功率在mW量级的激光作用到基态振动态的分子上，作用时间在ms量级，其中在半导体激光器的前方光路上设置一个挡光板，通过调整挡光板的开和关来调整激光的作用时间，该激光称为亏蚀激光；(3)如果需测量的分子转动能级上有分子布居，采用亏蚀激光对该分子转动能级进行探测，具体操作如下：(a)调谐亏蚀激光的频率使其共振于分子基态转动态和分子激发态转动态，将分子由基态转动态转移到激发态转动态，由于激发态分子的能级寿命在ns量级，分子很快会自发辐射到基态的其它振动态；(b)关闭亏蚀激光、采用高能量脉冲激光对分子离子进行探测，由于亏蚀光耦合的基态分子数目发生了转移损耗，因此发生光电离的分子数目会减少，分子离子信号减少的数量就反映了对应转动态上分子的布...

【专利技术属性】
技术研发人员：姬中华，赵延霆，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西,14