高靈敏光譜技術在痕量檢測中的應用（簡體書）

本書是在國家自然科學基金等項目研究成果的基礎上對高靈敏度光譜技術的基本原理和其在痕量檢測中應用。主要內容包括原子分子理論、激光技術與光電探測技術、雙原子分子自由基的光譜的實驗與理論、利用可調諧半導體二極管吸收光譜技術及應用、發射光譜技術的原理和應用、Mie散射光譜的基本原理及在可吸入顆粒物測量中的應用。

李傳亮，現為太原科技大學副教授，理學博士，碩士生導師。2011年博士畢業于華東師範大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室，光學專業。目前主要研究原子分子激光光譜學、光電測量和傳感技術。目前主持的項目有：國家自然科學青年基金1項、精密光譜科學與技術國家重點實驗室開放課題1項、山西省自然科學基金1項、山西省高校創新項目1項、中國科學院時間頻率基準重點實驗室開放基金課題1項。在《J. Phys. Chem. A》、《J. Mol. Spectrosc.》、《J. Chem. Phys.》、《Comput. Theor. Chem.》、《Chin. Opt. Lett.》等SCI期刊上發表第一和通訊作者論文十多篇。

光譜是研究光與物質之間相互作用的一門學科，人類得到的大部分原子分子結構信息都是基於光譜學的研究。因此，光譜學對原子分子物理學、化學、生物分子學的研究做出了突出的貢獻。原子分子結構及其與環境的相互作用是通過電磁波輻射與物質相互作用產生的吸收和發射光譜獲得的。由於激光具有單色性好、能量譜密度高、超高的時間和頻率分辨性，所以，它的產生使光譜學發生革命性的變化。目前的高靈敏度光譜檢測技術幾乎無一缺少激光的“身影”。
隨著人們對微觀分子和宏觀宇宙的不斷探索和瞭解，觀測到了大量分子光譜譜線，這些光譜信號需要在實驗室中重現和確認，而實驗室中所產生“特定分子”的效率很低，尤其是一些壽命短的自由基分子，傳統的光譜技術探測較為困難。此外，在工業生產、環境測量及醫學檢測領域的一些關鍵測量對象的濃度也非常低。以環境中的主要溫室氣體之一的甲烷為例，其在大氣中的本底約為2ppm（ppm，百萬分之一），而其變化值只有幾百ppb（ppb，十億分之一），甚至更低。因此，檢測這些痕量物質有著非常重要的意義，在相當多的場合中，高靈敏度激光光譜技術是必不可少的。
本書內容主要建立在著者及其科研團隊所從事的高靈敏度激光光譜技術在痕量檢測研究的理論、實驗及工程應用研究的相關成果，以及近年來承擔的相關科研項目和本科及研究生教學基礎上，對激光光譜的檢測技術進行歸納、分析和總結。
全書分為7章。第1章為高靈敏光譜理論，主要闡述玻爾原子理論、波函數和角動量理論及原子的外場效應，並簡要介紹分子振動-轉動光譜理論；第2章介紹了高靈敏激光光譜儀器，內容包括基本的光學元件、各種光譜儀、激光器的基本原理；第3章重點分析了自由基分子光譜及動力學，首先討論了高靈敏度自由基分子光譜檢測技術和雙原子瞬態分子的光譜理論計算原理，然後具體介紹CS、CS+、He2等瞬態分子光譜結構和量子態之間的動力學相互作用；第4章主要闡述基於量化計算的光譜理論，計算了C2-、CF-分子的光譜特性並研究了BD+的激光冷卻；第5章主要介紹了可調諧半導體二極管吸收光譜技術及其應用；第6章為發射光譜技術，內容包括射流束放電光譜、超聲分子束光譜、激光燒蝕光譜技術及輻射光譜測溫技術；第7章為散射光譜技術，內容包括Mie散射的基本原理、消光法的數據處理方法，以及便攜式多光程池的可吸入顆粒物監測儀研製。

第1章 高靈敏光譜理論 1
1.1 原子光譜理論 1
1.1.1 引言 1
1.1.2 角動量理論 3
1.1.3 氫原子和多電子原子的光譜 7
1.2 高靈敏度分子光譜理論 22
1.2.1 雙原子分子電子-振動-轉動光譜 23
1.2.2 雙原子分子電子態及其耦合 31
1.2.3 微擾和預解離動力學理論 38
1.2.4 分子光譜結構及分子常數的獲取 40
1.3 光譜強度及原子的超精細結構和外場效應 45
1.3.1 原子和分子的光譜躍遷 45
1.3.2 超精細結構 53
1.3.3 塞曼效應和斯塔克效應 53
參考文獻 56
第2章 高靈敏激光光譜儀器 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 激光的噪聲 62
2.2 激光光學元器件 64
2.2.1 光學材料 64
2.2.2 光學元件波長特性和表面質量 67
2.2.3 反射鏡 68
2.2.4 透鏡 73
2.3 光譜測量儀器 80
2.3.1 干涉儀 81
2.3.2 光譜儀 87
參考文獻 94
第3章 瞬態雙原子分子光譜及其動力學 96
3.1 自由基分子的高靈敏度激光光譜測量系統 97
3.1.1 瞬態分子的生成系統 97
3.1.2 速度和濃度調製光譜 99
3.1.3 光外差探測技術 100
3.1.4 光外差速度/濃度調製激光光譜技術 102
3.2 自由基分子的高靈敏度激光光譜分析 103
3.2.1 CS中性自由基分子光譜 103
3.2.2 CS+分子離子光譜 104
3.2.3 He2准分子（范德瓦爾斯分子）光譜 113
3.3 CS的微擾動力學研究 115
3.3.1 微擾光譜的分析 115
3.3.2 微擾光譜的哈密頓量 116
3.3.3 d3Δ態的微擾動力學 118
3.4 He2分子光譜與預解離動力學研究 123
3.4.1 He2分子研究背景 123
3.4.2 He2分子光譜結果和討論 123
3.4.3 He2分子預解離理論分析 126
參考文獻 127
第4章 瞬態雙原子分子的高精度量化計算 132
4.1 雙原子分子離子計算的基本原理 132
4.1.1 分子電子狀態構造原理（?,S）、（J,J）耦合 132
4.1.2 雙原子分子的電子態 133
4.1.3 從頭計算方法簡介 135
4.2 C-2的高精度光譜計算 137
4.2.1 C-2的從頭計算過程 137
4.2.2 C-2的計算結果與討論 139
4.3 CF-的理論計算 146
4.3.1 CF-的研究背景 146
4.3.2 CF-的從頭計算過程 147
4.3.3 CF-的計算結果與分析 149
4.4 BD+的激光冷卻理論研究 154
4.4.1 BD+的激光冷卻研究背景與意義 154
4.4.2 BD+的從頭計算過程 155
4.4.3 BD+的激光冷卻研究過程模擬與結果 156
參考文獻 162
第5章　基於多光程技術的高靈敏TDLAS技術及其應用 168
5.1　TDLAS技術基本原理 168
5.1.1　Lambert-Beer定律 168
5.1.2　分子吸收線型與線寬 169
5.1.3　TDLAS測量技術 172
5.2　新型Herroitt多光程池的設計 175
5.2.1　Herriott型長光程池設計理論 176
5.2.2　新型Herriott長光程模擬 177
5.2.3　螺旋式Herroitt多光程池 180
5.3　基於F-P腔的腔鎖定吸收光譜技術 184
5.3.1　實驗裝置 184
5.3.2　控制原理 186
5.3.3　實驗結果與討論 187
5.4　光外差-Herriott型多光程吸收光譜技術 190
5.4.1　光外差光譜原理 190
5.4.2　光外差-Herriott多光程吸收光譜裝置 191
5.4.3　結果分析與討論 192
5.5　高靈敏度的CO和CO2光譜研究 193
5.5.1　CO和CO2光譜研究的意義 193
5.5.2　實驗裝置 194
5.5.3　CO的光譜測量與分析 196
5.5.4　基於雙譜線的CO和CO2濃度測量 200
參考文獻 204
第6章　發射光譜技術及其應用 208
6.1　超聲分子束SO自由基放電光譜 208
6.1.1　超聲分子束光譜測量系統 208
6.1.2　實驗結果分析與討論 209
6.2　基於LIBS光譜技術的合金痕量摻雜檢測 211
6.2.1　LIBS實驗測量系統 211
6.2.2　實驗結果與討論 215
6.3　輻射光譜測溫應用 219
6.3.1　黑體輻射測溫理論 220
6.3.2　輻射測溫實驗系統 222
6.3.3　實驗結果與討論 224
參考文獻 227
第7章　基於Mie散射光譜的可吸入顆粒物檢測儀 230
7.1　Mie散射的基本理論 231
7.2　消光法的數據處理方法 236
7.2.1　消光係數的計算過程 236
7.2.2　可吸入顆粒物濃度的計算 239
7.3　便攜式多光程池的可吸入顆粒物檢測裝置 239
7.3.1　多光程可吸入顆粒物測量裝置 239
7.3.2　實驗結果與討論 242
參考文獻 249