基于光腔衰荡光谱测定玻尔兹曼常数

• 作 者: 王进
• 出 处: 中国科学技术大学
• 发表日期: 2017年期
• 关键词: 温度 温标 分子光谱学 光腔衰荡光谱 玻尔兹曼常数 一氧化碳 激光锁频 碰撞加宽 饱和加宽

分子光谱是研究分子结构、内部能量布居、以及分子间相互作用最重要的手段之一。近一个世纪以来,随着激光技术和分子光谱探测技术的发展,光频梳的发明等,使得分子光谱在高精密测量方面具有越来越多的应用:包括验证基本物理定律和对称性,以及测量精密物理常数,比如精细结构常数α、玻尔兹曼常数k_B等等。本论文的主要工作是通过自主发展并搭建的高精密光腔衰荡光谱(Cavity Ring-Down Spectroscopy)实验装置,利用频率锁定以及温度控制技术,示范进行高精密的分子光谱频率测量,并用于测定玻尔兹曼常数。本论文的主要内容包括以下几部分,第一章简要介绍了测量玻尔兹曼常数k_B的背景,以及目前国际上其他研究组主要采用的一些测量方法,比如声速法、介电常数发、热噪声法和多普勒展宽方法等,特别是本论文将采用的基于光腔衰荡光谱和多普勒展宽方法测定玻尔兹曼常数的原理。本章还介绍了光腔衰荡光谱方法的原理,以及对k_B测量有影响的各种加宽因素,包括碰撞加宽、渡越时间加宽、饱和加宽等等。第二章详细介绍了实验装置的设计与搭建,包括样品腔的机械设计与温度控制,激光频率的锁定与扫描等等。为了准确测定玻尔兹曼常数,我们不断改进实验方案,并且通过实际饱和吸收光谱的测量验证了实验方案的可行性。最终发展的实验方案不仅可以用于玻尔兹曼常数的测定,可能还可以用于其它高精密分子光谱测量。第三章介绍利用我们发展的三种实验设计方案所测量的结果与分析,对玻尔兹曼常数进行了初步测量结果与分析;同时发展了可用于分子兰姆凹陷测定的实验方法,并实现了精度达到亚kHz的CO分子饱和吸收光谱频率测定。最后,对于进一步的改进实验方法,实现高精密的k_B测定以及其它相关分子精密测量进行了讨论。