瞬态双原子碳化物的光谱及斯塔克效应研究

Transient diatomic carbide molecules (CO*, CS, CN, etc.) are widely present in combustion, discharge plasma, chemical reaction and interstellar space, and they are the preferred candidates for precision measurement, molecular manipulation and investigation of the interactions among quantum states. However, the external field effect, fine and hyper-fine structures of transient diatomic carbide molecules cannot be resolved by the Doppler-limited spectroscopy. In the project, optical heterodyne – saturation absorption – concentration modulation spectroscopy with high sensitivity and sub-Doppler resolution will be used to study the fine and hyperfine parameters of low excited states (such as a3Π，A1Π，d3Δ states of CS and CO*，X2Σ+, A2Π, B2Σ+ states of CN）. The fine structure constants (Λ-doubling, spin-spin interaction, spin-rotation, etc.) and hyperfine parameters (a, b, c, d, etc.) will be derived by fitting the assigned spectral lines to the effective Hamiltonian matrix. Through measuring the Stark hyperfine splitting, we obtain the relationships between splitting and electric field intensity and the electric dipole moment. The perturbations between MF states are investigated based on the second-order perturbation theory. The results of ab initio are inspected and the calculated methods are improved according to the experimental results. The spectral parameters of transient diatomic carbide molecules are of great significance to the study of astrophysics, combustion process, discharge plasma and molecular manipulation.

瞬态双原子碳化物分子（CO*、CS、CN等）存在于化学反应、等离子体放电以及星际空间，是精密测量、外场操控以及研究分子能级相互作用的首选对象。然而，它们的一些精细结构、超精细结构以及其在外场中的能级移动用通常的多普勒受限光谱技术无法测量。本项目拟采用光外差-饱和吸收-浓度调制吸收光谱技术研究CO*、CS和CN等分子低激发电子态（如：CO*、CS的a3Π、A1Π、d3Δ态，CN的X2Σ+、A2Π、B2Σ+态）的精细与超精细结构，获得精细结构常数（Λ-型双分裂、自旋-自旋、自旋-转动等）与超精细常数(a、b、c、d等)。测量电场中分子斯塔克频移与外场强度之间的关系，获取分子的电偶极矩，根据量子力学二阶微扰理论研究MF量子态之间的相互微扰。检验从头计算结果，改进计算方法。瞬态双原子碳化物分子常数以及其电场特性参数对研究天文物理、燃烧过程、等离子放电和分子的外场操控等有重要的意义。

瞬态双原子碳化物分子（C2-、CP+、CN等）存在于化学反应、等离子体放电以及星际空间，是精密测量、外场操控以及研究分子能级相互作用的首选对象。本项目在理论上开展了C2-、CP+、CF-和CN等瞬态碳化物双原子分子的精细光谱理论计算，还计算了AgH和AgD瞬态分子的电四极矩（eQq）超精细分裂；实验中测量了CN自由基分子的精细光谱结构，获得了CN分子的自由基光谱常数，另外测量了C2H2分子的超精细光谱展宽效应。研究了CF-离子Λ-S态的电偶极矩，测量了C2H2分子再强电场下的斯塔克光谱展宽和冷RbCs分子在外电场条件下光谱分裂-裂距，并获得了其电偶极矩的大小。在高精度的量化计算理论基础上，通过求解一维的径向薛定谔方程获得瞬态双原子分子振动、转动光谱常数、跃迁寿命/爱因斯坦常数以及预解离动力学研究，并对可用于激光直接冷却的分子设计冷却方案，求解分子冷却过程中的动力学方程，获得适合激光可以直接冷却的分子对象。实验中创造性的利用光外差边带法消除实验检测的干涉效应，并首次提出了基于1Sigma-1Sigma最简单电子系统的激光直接冷却分子方案，并以AgH和AgD自由基分子为例进行了理论仿真计算，结果表明该方案的冷却效率大大提高，且冷却过程中所需激光器数目减少了一半。此外，该项目实施中，我们还将实验技术应用脱硝过程中催化还原反应中NH3气的实时原位测量，结果表明我们测量系统可达到0.1ppm的灵敏度，完全满足实际应用。本项目的研究方法推进了瞬态碳化物分子能级结构和动力学研究，同时该项目的实验技术亦可定量分析燃烧反应、环境监测和工业控制中的碳化物分子的物理参量测量，有着潜在的应用推广。