酒精中低浓度甲醇和乙醇的精准检测是十分重要的。低频拉曼散射是研究液相分子间相互作用最有效的方法之一。本文采用新型超低频拉曼光谱, 对不同浓度的乙醇以及乙醇-甲醇混合液进行研究。实验发现, 不同浓度下乙醇溶液在78 cm-1和170 cm-1存在两个特征峰, 不同浓度下乙醇-甲醇混合液在85 cm-1和178 cm-1存在两个特征峰。其中, 78 cm-1特征峰是由于OH-O伸缩振动引起的, 178 cm-1特征峰是由于OH-O面内弯曲振动引起的, 85 cm-1和170 cm-1两个峰是由C-OH的伸缩振动引起的。同时, 我们发现了以上超低频特征峰频率与乙醇以及乙醇-甲醇混合液浓度的依赖关系, 能够为较低浓度的乙醇和甲醇溶液精确指认提供可借鉴的实验思路和依据。

液态水是地球上大多数生化过程的化学支柱, 对生物的新陈代谢是必不可少的。 因此, 它是一个跨科学领域的关键课题。 水的理化特性被认为是氢键衍生结构的结果。 然而, 目前还很难在实验上定量地将水分子的理化特性与氢键结构联系起来形成完整的液态水分子结构理论。 拉曼光谱因其快速、 无损等优点成为表征液态水分子结构及其变化规律的主要手段。 目前, 水分子的拉曼光谱主要研究的是其高频振动模。 然而, 液态水较宽的低频拉曼模是氢键及其局部结构效应的结果, 包含高频峰无法表征的特征信息, 而超低频拉曼特征峰仍能在高温下揭示水分子（超）结构的许多关键细节。 因此, 在实验上实现对水分子的新型高温超低频拉曼光谱（5～200 cm-1频率区域）, 探测得到理论预测的全部四种平动特征模, 包括弯曲模（51.7 cm-1）、 扭转模（81.4 cm-1）、 对称（154.0 cm-1）和不对称拉伸模（188.6 cm-1）, 并在225.2 cm-1处额外发现了平动-旋转耦合特征模。 所有特征模都被精确指认。 高温超低频拉曼光谱实验发现, 首先在特征峰频率上, 由于高温下氢键断裂导致水分子间的平均结构关联长度（SLG）迅速缩短, 当温度从0 ℃升高到400 ℃, 所有四种超低频特征模的频率都随温度升高而大幅蓝移。 其次在特征峰强度上, 拉伸模的强度在100和200 ℃间出现明显降低。 而弯曲模的强度随着拉伸模频率从高频率到低频率依次升高, 这是理论研究从未涉及的。 最后在斯托克斯/反斯托克斯比值（RS/AS）上, 温度在150～170 ℃时（压强约为2 kbar）, RS/AS迅速从1.1增加到1.3; 当温度高于170 ℃时, RS/AS随温度线性变化。 综上所述, 通过对水分子各共振模的频率蓝移、 强度变化, 以及斯托克斯/反斯托克斯比值等特征进行细致研究, 得到温度对水分子结构, 尤其是氢键衍生特性的影响。 该新型高温超低频拉曼光谱方法, 填补了部分理论空白, 为深入全面地理解水分子结构提供了重要的实验依据。

通过激光冷却技术在磁光阱中俘获原子数约107, 温度约200 μK, 直径约400 μm的超冷铯原子, 利用超冷铯原子光缔合方法制备了激发态的超冷铯分子。 实验研究了光缔合光不同扫描速率对铯分子振转光谱分辨率的影响, 发现光缔合光扫描速率较慢时, 铯分子振转光谱分辨率较高。 通过高灵敏的雪崩光电探测器探测冷原子荧光, 获得了超冷铯分子第一激发态6S1/2+6P3/2离解限0－g长程态高分辨振转光谱。 为了实现受控拉曼光缔合制备超冷基态分子, 光缔合激光频率需要锁定在原子-分子共振跃迁线, 对超冷原子光缔合光谱进行了超低频波长调制, 通过改变调制幅度和调制频率获得最优化的一阶微分信号, 将该信号反馈回激光器, 实现闭合环路稳频, 满足了受控拉曼光缔合制备振转能级可控的基态分子的实验要求, 该工作对研究受限空间中的超冷原子分子具有很重要的意义。

利用超低频电磁探测技术开展煤田隐伏断层超前探测研究目前仍处于探索阶段, 但该技术在煤矿生产设计方面具有较强的实际意义。 本文首先通过实地布设测线, 采集超低频电磁探测信号, 利用小波变换对超低频信号进行频谱分析, 去除高频噪声; 然后, 分析横穿断层的测线剖面图, 进行地质解译, 研究隐伏断层的超低频频谱特征; 最后, 结合研究区地质和地震资料, 对比验证矿区断层构造的特征与分布。 结果表明: 超低频电磁探测能快速探明隐伏断层信息, 是一种辅助探测煤田隐伏断层的有效方法。

由于天然源超低频电磁探测仪器接收的是宽频段多源信号, 如何进行信号的分解以将干扰信号滤除, 是利用天然源超低频电磁探测技术进行实际探测应用的关键。 北京大学自主研发的天然源超低频电磁探测仪器, 以山西沁水盆地煤层气探测数据为研究对象, 将曲波变换的方法应用在超低频电磁探测频谱的分解上。 分解结果表明, 曲波变换分解出的高频信息主要是探测仪器直接接收的大气层雷电产生的干扰信号, 而低频信息层则主要包含了地下的探测目标信息。 基于此, 以低频信息为基础重构后的探测频谱曲线相对于原始探测曲线来说, 更有利于探测目标的解释。 但是对于由于人工工频所引起的干扰信号, 该方法并不能有效去除, 在实际应用中需要结合其他数据处理方法一同进行。

煤层气的勘探与开发具有很强的经济意义、 环境意义以及社会效益。 煤层气排采过程动态监测与准确评估是煤层气高效开发的关键。 文章从煤层气排采动态的天然源超低频电磁探测原理出发, 采用北京大学超低频电磁探测仪器, 通过分析煤层气排采过程中不同时间段的超低频电磁探测频谱, 揭示煤层气排采的动态变化。 山西沁水盆地实际探测结果表明: 被动式超低频电磁探测技术能够简单、 有效、 无损伤的探测煤层气排采动态。