甲烷 (CH4) 和氮气 (N2) 是很多类地星体的主要气体成 分, HCN、CN、C2H2 等分子是以这两种混合气体为母体的主要产物。实验利用 CH4/N2 放电等离子体模拟主要产物分子的形成过程, 并基于中红外波长调制吸收光谱技术, 通过测量 HCN 和 C2H2 的吸收光谱研究了其浓度演化过程。实验结果表明 HCN 和 C2H2 的相对浓度依赖母体分子中的 C/N 比例。母体分子中 N2 过量有利于 HCN 的生成, 而 CH4 过量有利 于 C2H2 的形成。CH4 和 N2 的浓度配比实验表明, HCN 的主要生成途径 为 CH3+N→HCN+H2。此外, CH4/N2 辉光放电生成的 C2H2 也可能进一步与 N2 结合生成 HCN。

CN自由基在生命形成过程中起着重要作用。在早期行星大气中, CN的生成与氮气(N2)和甲 烷(CH4)有密切关系。以土卫六大气成分为参考,利用CH4和N2的混合气体模拟早期大气环境,并对模拟大气进行辉光放电产生CN 自由基,通过测量CN自由基的吸收光谱研究了CH4、N2比例和土卫六大气中的痕量气体对CN生成的影响。在N2和 CH4混合气体的低压辉光放电中,当CH4气压占总气压的20%左右时, CN自由基的生成浓度最大。保持N2和CH4气压配比不变而 改变总气压时,起初CN自由基浓度随总气压增加而增加;当总气压超过60 Pa时, CN自由基浓度随着总气压的增加趋缓;而当总气压大于90 Pa时, CN浓度随着总气压的增加缓慢减少。在给定气压和CH4-N2浓度配比条件下, CN自由基的浓度都随放电电流增加而增大。土卫六大气中存 在痕量水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)和一氧化碳(CO), 在N2和CH4混合气体放电过程中加入少量这些气体都会抑制CN自由基的生成。

随着社会经济的高速发展, 环境污染和生态破坏日益严重, 突发性环境污染时有发生。 利用光谱技术测量有害气体的浓度, 可以对空气进行实时监测。 在弱吸收条件下, 利用多次反射池可以增加有效光程, 从而提高吸收光谱的探测灵敏度。 基于Herriott型多光程池的结构, 提出了一种紧凑型多光程池。 该光学器件由多个圆环形凹面反射镜螺旋封闭构成, 入射光沿着环形镜的径向和轴向同时传播, 形成有规律的放射状分布, 光线在吸收池中的反射轨迹呈螺旋路径, 光斑呈螺旋形分布。 实现了入射光和出射光的分离, 从而增加了光路的可调空间。 由于吸收池中的反射次数与螺旋的圈数成正比, 可以根据实际需要选择合适的光程。 另外, 该反射池的主体是一个圆筒, 具有稳定的机械性能和一定的抗震性。 利用ABCD矩阵变换分析了系统的稳定性, 通过模拟发现光束通过透镜后, 焦点会聚在圆筒中心附近, 能使入射光斑在池中收敛, 并讨论了反射次数与螺旋圈数的关系。 还研究了在不同入射角条件下的旋光特性, 发现线偏振光的旋转角度与入射角度成正比。 当入射角相同时, 旋转角度随着反射次数的增加而增大。

频率稳定的激光器在精密计量、高分辨率光谱等许多领域具有重要的应用。使用KTP晶体将Nd:YAG激光器输出的激光(1064 nm)倍频到532 nm，采用波长调制吸收光谱技术获得吸收峰的一次谐波信号作为鉴频信号，并基于数字比例积分微分(PID)反馈控制技术，把倍频后的频率稳定在碘分子B-X态(32-0)带的R(56)吸收峰上，在1 h的连续测量时间内，频率漂移幅度小于2 MHz，远小于多普勒受限的光谱线宽，频率稳定度达到了10-9量级，整套系统可以实现长时间连续工作。使用的数字PID稳频方案，可以有效抑制激光的长期频率漂移，具有方案简单、易于实现的优点，同时显著降低了较大幅度随机噪声对系统稳定性的影响。

利用脉冲高压直流放电技术产生H超声分子束, 以纳秒染料激光二倍频输出(282 nm)作为激发光源, 通过LIF光谱测量方法, 获得了H A 2Σ+-X 2Π(1, 0)带转动分辨激发荧光谱, 并通过对谱线强度分布的分析和计算, 得到X 2Π态H的转动温度为(30±1) K； 通过对A 2Σ+-X 2Π (1, 1)带及(0, 0)带跃迁的荧光衰减时间谱测量, 拟合得出H激发态 A 2Σ+ (ｖ′=1)及X 2Π (ｖ″=0)的寿命分别为(637±6)和(675±13) ns。

基于有差伺服调节技术,实现了外置光学谐振腔的共振频率与钛宝石激光器工作频率的锁定。该技术采用压电陶瓷作为执行元件,通过对压电陶瓷的调制,实现了对透射激光功率的调制,并由锁相放大器解调获得伺服信号,该伺服信号经过高压放大器放大后控制压电陶瓷的伸缩来调控谐振腔的腔长,从而使腔的共振频率锁定在激光频率上。当激光工作于单一频率时,谐振腔的谐振频率可以长时间地与激光频率保持锁定,锁定后腔的透射光功率相对起伏的稳定性为2%。当激光频率扫描时,谐振腔的谐振频率可以在2 GHz范围内不间断地与激光频率保持锁定。

采用窄线宽二极管激光器与1 km的怀特池相结合来提高光谱探测灵敏度,最小可探测谱线吸收强度为10-27 cm-1/(molecule·cm-2)。根据记录的光谱数据精确计算出7599～7616 cm-1波段内水汽分子的谱线强度、自加宽系数和氮气加宽系数,实验结果与HITRAN96和HITRAN2004数据库进行了比较,存在一些差异。测量的谱线参量与HITRAN96相接近,与HITRAN2004相差较大,有7条HITRAN96中没有的新谱线被观测,有5条在HITRAN2004数据库中被证实,另外观测到2条谱线在HITRAN96中被列出,而在HITRAN2004没有给出。

水汽吸收特性的研究对评估激光通讯和激光传输等具有重要的意义，因此水汽吸收光谱的研究在理论和工程方面都有重要应用。用工作在室温下，窄线宽、宽调谐范围分布反馈(DFB)二极管激光器作光源，结合光程可调、最长光程为1097 m、可控温的改进型千米级怀特(White)池，精确地测量了水汽在1.315 μm附近的高分辨力、高灵敏度吸收光谱，得到了水汽分子1.315 μm附近31条主要吸收线的位置、谱线强度、压力自加宽系数等参量，测量结果与HITRAN数据库中的值很好地一致。实验中使用先进的电子技术和计算机控制技术，大大提高了实验的效率，确保了实验结果的可靠性。