[发明专利]一种测量分子转动能级结构的方法

说明书

本发明一种测量分子转动能级结构的方法。本发明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，扫描亏蚀激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。

技术领域

本发明涉及电离光谱探测分子能级结构技术领域，具体为一种测量分子转动能级结构的方法。

背景技术

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)。如果能发明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。

发明内容

本发明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。

本发明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，由于亏蚀激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；