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研究生： 陳珮寧
Chen, Pei-Ning
論文名稱： 雙原子鈉分子的532nm固態雷射誘導螢光光譜
Laser-Induced Fluorescence of Na2 Excited by the 532 nm Diode-Pumped Solid State Laser
指導教授： 蔡錦俊
Tsai, Chin-Chun
黃守仁
Whang, Thou-Jen
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 化學系
Department of Chemistry
論文出版年： 2007
畢業學年度： 95
語文別： 中文
論文頁數： 130
中文關鍵詞： 雷射誘導螢光光譜
外文關鍵詞： Laser-Induced Fluorescence
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    • 本實驗藉由雷射誘導螢光光譜(Laser Induced Fluorescence, LIF)的方法，探討波長為532 nm的半導體雷射對氣態同核雙原子鈉分子電子能態可能的躍遷。雷射激發與螢光躍遷能態方程式如下：
    Laser： B1u(v’,J’) ← X1g+ (v1”,J1”) + h1
    Monochromator： B1u (v’,J’) →X1g+ (v2”,J2”) + h2
    躍遷所產生的雷射誘導螢光h2經透鏡聚焦匯入光纖後，透過雙光柵高解析單光儀及光電倍增管等偵測各躍遷頻譜訊號，以分析兩電子能態間的相對與絕對的能階。
    實驗中所使用的校正燈源分別為汞燈，以及填充氬氣的鎂中空陰極管。鎂中空陰極管加一高電壓後可產生氬及鎂的原子躍遷譜線。汞、氬、鎂的標準原子譜線是以NIST網站公佈的參考資料為標準，以此做譜線波長的比對校正。實驗數據配合1978年Kusch和Hessel以及2005年Camacho等人所發表X1g+ 及B1u已知的分子常數，再配合選擇定律、躍遷機率等分子光譜特性，透過擬合方式比對光譜的振轉能階躍遷。實驗共偵測到112個躍遷訊號，包含四個螢光系列，分別由B1u電子態振轉能階為(v’,J’)=(3,98)、(4,63)、(7,13)、(7,106)回到X1g+ 電子態的螢光系列。

    The transitions between the electronic states B1uand X1g+ in gas phase of sodium dimer Na2 was observed by the laser-induced fluorescence spectroscopy (LIF). The Na2 molecule was pumped from the thermal populated X1g+ state to the excited B1u state by a 532 nm diode-pumped solid state laser. The LIF from B1u state to X1g+ state was collected and detected by a high-resolution double-grating monochromator system through a fiber module. The transitions can be described as:
    Laser： B1u(v’,J’) ← X1g+ (v1”,J1”) + h1
    Monochromator： B1u (v’,J’) →X1g+ (v2”,J2”) + h2
    The emission spectra from a mercury lamp and a magnesium hollow cathode lamp filled with argon were used as wavelength calibration. The line positions of atomic transitions of mercury, magnesium and argon were compared with the standard published on the website of National Institute of Standards and Technology.

    The transition frequency of the fluorescence series corresponding to the laser excitation were compared with the initially calculation using the molecular constants from Kusch and Hessel in 1987 and recent work by Camacho et al. in 2005. We have observed 112 transitions from B1u state to X1g+ state belonging to four fluorescence series, (v’,J’)=(3,98),(4,63),(7,13), and (7,106) of B1u state back to the X1g+ state. The measured line positions and relative fluorescence intensities match well with the calculated from the molecular constants and Franck-Condon factors.

    目 錄 中文摘要……………………………………………………………Ⅰ 英文摘要………………………………………………………………Ⅱ 目錄……………………………………………………………………Ⅲ 表目錄…………………………………………………………………Ⅶ 圖目錄…………………………………………………………………Ⅸ 第一章 緒論…………………………………………………………1 1-1前言……………………………………………………………1 1-2 雙原子鈉分子雷射光譜的研究歷史……………………………1 1-3 雙原子鈉分子X1g+電子態光譜研究歷史................2 1-4 雙原子鈉分子B1u電子態光譜研究歷史…….............4 1-5 雙原子鈉分子B1u電子態研究動機…………………..………5 1-6 雷射誘導螢光光譜法簡介..............................6 第二章 理論…………………………………………………………7 2-1 雙原子分子的能量………………………………………………7 2-2 同核雙原子分子電子態的項符………………………………..12 2-3 罕德耦合(Hund’s coupling cases)…………………………13 2-3-1 Hund’s case (a)...….............................14 2-3-2 Hund’s case (b)..........…………………………...…14 2-3-3 Hund’s case (c)……………………………………..……15 2-3-4 Hund’s case (d)………………………………………....16 2-4 耦合分離(Uncoupling phenomenon)………………………..…17 2-4-1 簡併態的耦合分離(-type doubling)………………18 2-5雙原子分子電子態躍遷選擇定則(Selection rules)………18 2-6 法蘭克-康登定理(Franck-Condon principle).................................20 2-7 哈諾-倫敦方程式(Hönl-London Formula)……………………21 第三章 實驗……………………………………………………23 3-1實驗裝置…...…………………………………………………23 3-1-1 雷射系統………………………………………………23 3-1-1-1 二極體激發固態雷射………………………………………23 3-1-2熱管爐系統………………………………………………………23 3-1-2-1 熱管爐構造……………………………………...………25 3-1-2-2 熱管爐原理……………………………………...………26 3-1-3周邊儀器及光學鏡片..................................26 3-1-3-1 光功率計(Power meter)………………………...……26 3-1-3-2 光學鏡片………………………………………………….27 3-1-4 偵測系統...........................................27 3-1-4-1 光纖 (Fiber)………………27 3-1-4-2 光電倍增管 (Photomultiplier Tube)………….28 3-1-4-3 單光儀 (Monochromator)…………………………28 3-1-5 單光儀及雷射的頻率校正……….…………………28 3-1-5-1 波長儀 (Wavemeter)…………28 3-1-5-2 中空陰極管……………………………29 3-1-5-3 汞燈………………………………..………29 3-2 實驗方法及實驗步驟.....................29 3-2-1 雷射誘導螢光光譜法...................29 3-2-2 實驗方法………………………………………………30 3-2-3 實驗步驟...................................31 第四章 結果與討論…………………………………………………32 4-1 校正………………………………………………..……… 32 4-1-1雷射頻率的校正………………………………….….… 32 4-1-2 光譜的頻率校正………………………………….……… 34 4-2 雙原子鈉分子的B1u電子態………………..…….……. 39 4-2-1 由文獻及實驗得知氬離子雷射產生之激發躍遷....…… 39 4-2-2 螢光訊號的再現性………………………………….… 40 4-3螢光訊號的確認…………………………………..…….. 49 4-3-1 訊號確認………………………………………...…….. 49 4-3-1-1 訊號確認的第一個想法……………………..…… 49 4-3-1-2 想法一訊號比對過程…………………………...…… 50 4-3-1-3 訊號確認的第二個想法…………………………...… 61 4-3-1-4 想法二訊號比對過程……………………………...… 61 4-3-2 躍遷訊號的決定…………………………………...….. 70 4-3-2-1 第一個螢光系列…………………………………...… 70 4-3-2-2 第二個螢光系列…………………………………...… 72 4-3-2-3 第三個螢光系列…………………………………..…… 74 4-4 後續分析……………………………………………..……… 80 第五章 結論……….…………………………………....….. 83 參考文獻……………………………………………..……... 84 附錄……………………………………………………..……... 86 附錄一……………………………………………………………. 87 附錄二……………………………………………………………… 91 附錄三……………………………………………………………… 115 表 目 錄 表1-1 雙原子鈉分子在高能解離區域不同對稱性的電子組態….3 表2-1 Dumhan係數(Yij)與其所代表的相對意義……………………11 表3-1 二極體雷射(Verdi-10)的特性規格……………………25 表4-1 波長校正…………………………………………………… 35 表4-2 氬離子雷射在雙原子鈉分子中所產生的主要激發躍遷……41 表4-3 X1g+ 電子態不同振轉能階的能量(單位: cm-1)……53 表4-4 不同轉動能階v+1/2所對應的Gv+1/2值…………………53 表4-5 實驗所得P及R譜線Gv+1/2的值………………………… 55 表4-6 P譜線Gv+1/2與計算所得Gv+1/2差值的平均值…………55 表4-7 R譜線Gv+1/2與計算所得Gv+1/2差值的平均值……55 表4-8 雙原子鈉分子X1g+ 電子態和B1u電子態的法蘭克-康登因子(*104)表………………………………57 表4-9 比較B1u(4,90)←X1g+ (12,91)實驗與計算Gv+1/2的差值…………58 表4-10 比較B1u(4,90)←X1g+ (12,91)實驗與計算兩者躍遷頻率的差值..59 表4-11 18788±2 cm-1 擬合結果中可能的躍遷……………………62 表4-12 比較B1u(4,93) ←X1g+ (12,94)實驗與計算Gv+1/2的差值………64 表4-13 比較B1u(5,87)←X1g+ (13,88)實驗與計算Gv+1/2的差值………64 表4-14 比較B1u(3,98)←X1g+ (11,99)實驗與計算Gv+1/2的差值………65 表4-15 比較B1u(4,93)←X1g+ (12,94)實驗與計算兩者躍遷頻率的差值..65 表4-16 比較B1u(5,87)←X1g+ (13,88)實驗與計算兩者躍遷頻率的差值..66 表4-17 比較B1u(3,98)←X1g+ (11,99)實驗與計算兩者躍遷頻率的差值..66 表4-18 整理表4-12~4-17的標準差…………………………………70 表4-19 第一個螢光系列可能的躍遷…………………………………71 表4-20 第一個螢光系列各躍遷標準差之比較…………………72 表4-21 第二個螢光系列可能的躍遷………………………………73 表4-22 第二個螢光系列各躍遷標準差之比較..............73 表4-23 第三個螢光系列可能的躍遷………………………….. 75 表4-24 第三個螢光系列各躍遷標準差之比較……………………..75 表4-25 本實驗所得到的四個螢光系列的躍遷……………….. 76 圖 目 錄 圖1-1 Magnier理論位能曲線..…………………………….. 5 圖1-2 雷射誘導螢光光譜法示意圖…………......…….…… 6 圖2-1 Hund case (a)向量示意圖......................... 14 圖2-2 Hund case (b)向量示意圖………………..............15 圖2-3 Hund case (c)向量示意圖…...................... 16 圖2-4 Hund case (d)向量示意圖…………...........…... 17 圖3-1 實驗裝置圖……..............................24 圖3-2 實驗方法示意圖…...............................30 圖4-1 雷射的頻率量測與平均頻率...........................33 圖4-2 雷射的頻率-一次線性擬合………………………33 圖4-3 波長較正與擬合方程式……………..………34 圖4-4 汞原子的原子躍遷譜線........................36 圖4-5 鎂原子的原子躍遷譜線………….………………………37 圖4-6 氬原子的原子躍遷譜線...............................38 圖4-7 X1g+與B1u電子態之間e/f level的躍遷選擇定則…42 圖4-8 532nm雷射光所產生B1u→X1g+的雷射誘導螢光光譜圖.43 圖4-9 校正後B1u→X1g+的雷射誘導螢光光譜圖(以cm-1為單位)......................44 圖4-10 532nm雷射光所產生B1u→X1g+的雷射誘導螢光光譜圖之一......................45 圖4-11 532nm雷射光所產生B1u→X1g+的雷射誘導螢光光譜圖之二...................46 圖4-12 532nm雷射光所產生B1u→X1g+的雷射誘導螢光光譜圖之三......................47 圖4-13 532nm雷射光所產生B1u→X1g+的雷射誘導螢光光譜圖之四.................................................48 圖4-14 不同轉動能階Gv+1/2對v+1/2作圖……………………52 圖4-15 同一螢光系列的PR訊號…………..………………54 圖4-16 P譜線v*與差值的平均值作圖…………………………56 圖4-17 R譜線v*與差值的平均值作圖………………56 圖4-18 B1u(4,90)←X1g+ (12,91) Gv+1/2對v+1/2的作圖.58 圖4-19 B1u(3,98)回到X1g+ 電子態的躍遷譜線…………60 圖4-20 B1u(4,93)←X1g+ (12,94) Gv+1/2對v+1/2的作圖.63 圖4-21 B1u(5,87)←X1g+ (13,88) Gv+1/2對v+1/2的作圖.63 圖4-22 B1u(5,87)←X1g+ (13,88) Gv+1/2對v+1/2的作圖.63 圖4-23 B1u(4,93)回到X1g+電子態的躍遷譜線…..…………67 圖4-24 B1u(5,87)回到X1g+電子態的躍遷譜線……………68 圖4-25 B1u(3,98)回到X1g+電子態的躍遷譜線…69 圖4-26 B1u(7,106)←X1g+ (14,107) Gv+1/2對v+1/2的作圖..72 圖4-27 B1u(4,63)←X1g+ (13,62) Gv+1/2對v+1/2的作圖.74 圖4-28 B1u(7,13)←X1g+ (16,12) Gv+1/2對v+1/2的作圖.76 圖4-29 B1u(7,106)回到X1g+電子態的躍遷譜線………………77 圖4-30 B1u(4,63)回到X1g+電子態的躍遷譜線…………… 78 圖4-31 B1u(7,13)回到X1g+電子態的躍遷譜線………………79 圖4-32 雙光子螢光光譜(OODR)法…………………81 圖4-33 雙原子鈉分子位能曲線圖…………………………………82

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    下載圖示 校內：2017-07-05公開
    校外：2017-07-05公開
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