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基于光腔衰荡光谱测定玻尔兹曼常数

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摘要

第一章 背景介绍

1.1.2 热力学温标和国际温标ITS-90

1.2 测定玻尔兹曼常数的几种方法

1.2.1 声学气体温度计(AGT)

1.2.2 介电常数气体温度计(DCGT)

1.2.3 约翰逊噪声温度计(JNT)

1.2.4 多普勒展宽气体温度计(DBT)

1.2.5 几种测定kB的光学方法

1.3 光腔衰荡光谱简介

1.3.1 实验原理

1.3.2 影响多普勒加宽测量的几种因素

第二章 光腔衰荡光谱实验装置介绍

2.1 RD腔体设计与控温

2.2 超稳腔控温和参考激光频率锁定

2.2.1 超稳腔真空控温

2.2.2 参考激光频率锁定

2.3 实验光路及频率锁定

2.3.1 实验光路

2.3.2 激光频率锁定

2.3.3 激光频率大范围扫描

第三章 实验结果与讨论

3.1 玻尔兹曼常数初步测定

3.1.1 系统灵敏度测试

3.1.2 实验条件与结果

3.1.3 系统一致性检验

3.1.4 误差分析

3.2 12C16O分子的饱和吸收光谱测量

3.2.1 饱和吸收光谱测量的意义

3.2.2 饱和吸收光谱原理

3.2.3 激光频率锁定的饱和吸收光谱测量

3.2.4 饱和吸收光谱的二次测量

3.2.5 误差分析

3.3 玻尔兹曼常数的二次测定结果与讨论

3.3.1 实验方法

3.3.2 温度测量

3.3.3 RD腔体纵模频率测量

3.3.4 光谱测量

3.3.5 误差分析

3.3.6 分析讨论以及下一步工作计划

参考文献

致谢

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摘要

分子光谱是研究分子结构、内部能量布布、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kB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kB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kB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kB测定以及其它相关分子精密测量进行了讨论。

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