大多数分子的指纹吸收位于中红外（MIR，400-4000cm^-1）波段，因此该波段的激光光源对于发展基于激光光谱技术的遥感、气体探测等应用，具有十分重要的意义。其中基于激光参量振荡（OPO）技术的光源，具有功率大、可调谐范围宽等一系列十分突出的优点。虽然目前国际上有少数相关仪器得到商品化（如美国洛克希德-马丁公司），但对我国严格禁运。本课题计划搭建一套连续波光纤激光光源和腔共振OPO方法，搭建大功率（～1W）的可调谐中红外激光光源系统。该系统将帮助我们突破该技术封锁，并利用该系统实现痕量气体探测等应用。学生通过参与本项目工作，将学习激光器搭建、光电探测、软硬件自动化控制等实验方法，掌握相关的基本光学、电子和控制技术，具备独立搭建一套较为复杂的光学系统的能力，并熟悉光谱学实验的基本方法和技术。

大气气溶胶，特别是PM2.5的实时地测量具有重要的应用和科学意义，而其中低空分布的测量更是对气溶胶的溯源和扩散过程研究有重要价值。但是现有的主要气溶胶测量方法（滤膜称重法、石英天平、β射线计数等），都不能很好地进行实时在线量。我们实验组已经实现了利用激光光腔衰荡光谱的方法在实验室直接测量大气气溶胶，本课题计划提高装置的测量稳定性和可靠性，并实现小型化，将来甚至结合无人机，以实现大气气溶胶的低空实时测量。学生通过参与本项目工作，将学习基于半导体激光器的光腔衰荡光谱仪的搭建、光电探测、软硬件自动化控制、数据采集及实时处理等实验方法，掌握相关的光学、电子、机械设计和自动化控制技术，具有独立搭建一套复杂的光电集成化系统的能力。

对于温室气体（CO₂、CH₄、N₂O、CO等）的准确定量测量，是碳排放监测与核查、温室气体计量以及碳交易的基础。基于吸收光谱方法的温室气体探测技术，目前已经逐渐成为技术主流。目前其测量的精度和可靠性，很大程度上依赖于测量技术本身以及相关基本光谱数据的准确性。本课题计划搭建一套基于可调谐半导体激光器的光腔衰荡光谱（CRDS）探测装置，用来实时测量大气中CO₂等温室气体的含量，与目前市场上已有的其他方法和装置进行对比，并精密测定相关跃迁的光谱学参数。学生通过参与本项目工作，将学习半导体激光控制、光电探测、数据采集和计算机实时数据处理等基本实验方法，掌握相关的基本光学、电子、真空技术，以及常用的软硬件技术，具备独立搭建一套基本的光谱探测系统的能力。

手性是药物和生命体重要的特征，是指分子或物体与其镜像对映体不能重合的性质。至手性的旋光效应发现以来，手性光谱成为研究手性物质和手性分子的重要工具。与旋光光谱表征手性分子或物质对左、右圆偏振光的折射率差谱类似，手性拉曼光谱是手性分子或物质对入射左、右圆偏振激光的拉曼散射光强度差谱，手性拉曼光谱是研究手性构象、构型的有力工具。随着药物和生命领域研究的发展，手性拉曼光谱有望成为继X射线晶体衍射和NMR之后研究生物大分子的又一重大技术。但通常手性拉曼光谱的强度很低，同时易受到强荧光的干扰。解决手性拉曼光谱的荧光干扰，提高手性拉曼光谱的灵敏度，成为手性拉曼光谱研究的难点。在国家基金委重大仪器研制项目的支持下，研制成功短波长激光手性拉曼光谱仪，部分解决了荧光干扰和提高了手性光谱的探测灵敏度。本项目将进一步采用405 nm激光作激发光源，研制手性拉曼光谱仪，在解决荧光干扰的同时，大幅度提高手性拉曼光谱的探测灵敏度，将手性拉曼光谱仪应用于手性分子及药物构型鉴定的研究。学生通过参与本项目工作，将学习拉曼光谱仪搭建，手性拉曼光谱实现，手性拉曼光谱仪光路补偿，手性分子虚拟对映体光谱背景校正，拉曼数据采集，和计算机光谱数据分析、处理等基本实验方法，掌握相关的基本光学、电子、手性光谱监测以及常用的软硬件技术，具备独立搭建拉曼光谱仪，全过程了解手性拉曼光谱仪原理和实验，将手性拉曼用于手性药物鉴定和反应研究。

激光拉曼光谱是一项重要的现代分子光谱技术，是研究物质分子结构的强有力工具，已应用于物理、化学、材料、生物、环境和能源等各个领域中。美国、中国等科学家利用紫外拉曼光谱解决了荧光干扰和灵敏度低等难题，在生物体系、催化和材料科学领域的研究中取得突破性进展。在我们的前期工作中，我们研制的紫外拉曼光谱能有效避开荧光干扰，提高拉曼光谱的灵敏度，在催化剂研究中取得了一系列在国际上有影响力的重要成果。在国家重大仪器研制项目的支持下，我们成功研制了国际首台177.3 nm深紫外区拉曼光谱仪。该仪器的成功研制将推动我国深紫外拉曼光谱仪的发展及其应用研究，进一步保持我国在国际催化表征研究和相关研究领域的领先地位。在国家基金委重大仪器研制项目的支持下，我们提出研制紫外波长可调的共振拉曼光谱仪用于催化原位反应在线operando研制。本项目将采用波长可调紫外激光，建立三级联的紫外拉曼光谱仪，编制相应的紫外拉曼光谱仪采集程序，并开展紫外拉曼光谱仪在化学、物理、生物、环境领域的应用研究。学生通过参与本研制项目，将学习紫外激光倍频原理和技术、三联紫外拉曼光谱仪原理、紫外拉曼光谱搭建、拉曼光谱数据采集，和计算机光谱数据分析、处理等基本实验方法，掌握相关的基本光学、光谱学以及软硬件技术，具备独立搭建紫外拉曼光谱仪的能力。

能源与环境是人类社会可持续发展涉及的最主要问题。由于人口增加和社会发展，人们对化石燃料消费量迅速增长。进入21世纪以来，我国和世界均面临着经济增长和环境保护的双重压力，改变能源化工生产结构和消费方式，建立可持续发展的能源化工网络，对于促进经济发展和生态环境改善均具有重大战略意义，生物质能源化工必将成为今后能源与化工结构调整中至关重要的优选对象。木质纤维素型生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素三大组分组成。木质纤维素型生物质资源极其丰富，据估计，木质纤维素生物质每年以约1460亿吨的速度再生。航空燃油是专门为飞行器而生产的燃油品种，目前主要由石油炼制来生产。近年来，我国航空喷气燃料需求量不断增加，国内航空喷气燃料实际消费量已经超过1700万吨，预计2020年航空喷气燃料需求量约为4000万吨，而民航用煤油约有40%依靠进口。随着航空燃油要求的增加和航空业温室气体排放量限制，近年来国外有关公司正在大力开展非石油途径制取生物航空燃料的研发。本项目的目的在于，针对尚待解决的木质纤维素型生物质定向制取航空煤油烷烃、环烷烃和芳香组分的技术难题，建立一种能够在常压和绿色温和反应环境下，使木质纤维素型生物质定向合成航空煤油组分合成反应方法和设备。

在火箭、飞机等发动机喷出的火焰、空间飞行物试验的风洞等复杂流场的各种测量中，如何准确测量流场中的温度分布、压力分布、化学组份鉴别及其浓度分布，一直是大家最关心的问题。光学诊断技术能够实现原位测量，并且对流场无任何扰动，是理想的测量方法。激光诱导荧光（Laser-induced Fluorescence，LIF）方法作为目前公认的主流测量方法，特别是近年来发展的平面激光诱导荧光(Planar LIF，PLIF)技术，它具有高速动态跟踪、高效、准确等特点，具有极大的发展潜力。本课题计划搭建一套简易的PLIF装置，用来探测大气下乙醇火焰或低压层流火焰中的OH自由基等瞬态物种，并通过成像方法获得流场中OH自由基浓度的空间分布及火焰中的温度分布。学生通过本项目工作，将学习可调谐商用激光器的原理和使用、光电探测、数据采集和实时数据处理等技能，掌握相关的LIF光谱分析方法、几何光学、电子学、激光技术、动态实时控制技术、以及常用的计算机软硬件技术，具备相对独立的搭建一套激光诱导荧光探测系统的能力。

质谱作为分析测试科学仪器的突出代表，具有高灵敏度、适用性强的优势，在科学研究和生产实践中都具有不可替代的重要作用，其应用遍及国计民生和安全信息的各个领域。质谱分析中，待测物质分子经电离后依照不同质荷比（质量与电荷之比）在电磁场控制下按空间位置和时间先后加以区分和定量分析。在目前各类质谱仪器中，飞行时间质谱（Time-of-flight Mass Spectrometer，TOF MS）尤以高通量的分析能力而著称。空间聚焦的线性TOF质谱虽然结构简单,但仍具有较高的质量分辨，被认为是分析研究人员了解和掌握质谱分析方法的基础科学仪器。基于这样的装置研制，将为同学们未来从事质谱开发和应用打下良好的基础。本课题计划搭建一套具有空间聚焦特性的飞行时间质谱仪器，包括高真空系统、电子/离子探测系统、仪器控制和数据采集系统。计划通过完整的研制过程，同学们将接触和学习电场设计、光电探测、数据采集和计算机实时数据处理等基本实验方法，掌握相关的基本电子和真空技术，以及常用的软硬件控制技术，具备设计和搭建一套基本的线性TOF质谱系统的能力。

当前，气相分子的化学反应动力学已经研究得比较深入。但是，发生在液体、气液界面中的化学反应，其微观动力学机制还存在许许多多的疑问和研究空白。本研究组计划利用脉冲电子束和微孔喷射技术，开展液体与界面的电子诱导化学反应的实验研究。首先，我们将建立一台电子碰撞（贴附、电离解离）的正、负离子质谱。其中涉及脉冲电子束产生和控制、微孔液体柱射流产生、反射式飞行时间质谱以及相应的数据采集和控制系统等多个方面内容。学生通过参与本项目工作，将学习真空技术、电子学、数据采集和计算机实时数据处理等基本实验方法，以及机械制图技术，具备质谱研究与使用的基本能力。

光电子能谱仪是用来探测物质的能带结构和电子态等信息，是研究固体物理和表面化学的一个主要手段。而具有超快时间分辨的光电子能谱技术不仅可以测量电子能带结构和电子态等信息，还可以测量各个电子态的寿命，尤其是位于导带中的激发态寿命，很大程度上帮助人们理解表面化学反应过程中电荷的转移过程，是研究电子动力学的主流方法。该系统的一个重要组成部分即为具有时间分辨的超快激光光源系统，它的时间分辨率和光路稳定性将直接决定实验中电子态的寿命和能级结构结果的获得。本课题计划搭建一套具有时间分辨的超快激光光源系统装置，该装置的时间分辨率可达到0.2飞秒，是理论计算的极限分辨率（海森堡不确定关系），也是目前市场上具有最高时间分辨率光源系统。学生通过参与本项目工作，将学习飞秒激光调控、超快光源光路调节，光电探测、数据同步采集等基本实验方法，掌握相关的基本光学、固体物理、电子、真空技术，以及常用的软硬件技术等，具备独立搭建一套激光光源系统的能力。

离子成像实验在目前的化学、物理实验研究中发挥了重要的作用，在离子成像实验中，我们初步得到的是一系列能反映离子速度分布的图像。但这些图像数据中还存在一些需要进一步处理的信息，处理后我们才能更好地对其进行数据分析。一，离子经过信号放大后，出现在荧光屏上的点远大于其真实大小。这使得拍摄自荧光屏的图像并不能准确反映出离子的位置。二，图像中的背景噪音会对干扰我们对数据的分析。三，实验过程中，每秒会产生20张图像，每张图像所占大小约是1MB。若不能实时地对这些图像数据进行处理，那么长时间采集数据就会造成资金和时间上的额外消耗，随着相机的硬件的升级，单张图片的容量也越来越大，因此，图像的实时处理的要求也越来越高。在本课题中，我们将采用Event counting方法实时地对采集到的不同分辨率的一系列图像数据进行噪音筛除，离子信号定位，并累加计数于一张图像上，这将有助于我们分析数据又节约了硬盘空间。通过该课题，学生可以得到计算机辅助设计，仪器自动控制等方面的训练，并可以全面了解离子成像实验的数据采集和处理过程，能对离子成像实验有较为深入的认知，学生将具备编写实验数据采集软件的相关技能。

真空紫外光源在化学物理的研究中发挥着重要的作用，真空紫外的激光光源一般由同步辐射装置或者自由电子激光器提供，在小规模实验室中，我们可以采用非线性光学的方法产生真空紫外激光，对化学反应中的原子、分子进行探测。其中非线性光学介质一般采用Kr、Ar等惰性气体，一般的真空紫外输出在微焦量级。在本课题中，为了进一步提高实验室中的真空紫外光输出，并减少混频光中紫外光所带来的背景噪声，我们将采用金属蒸汽作为非线性介质，这种方法将使真空紫外光的能量提高几个数量级，实现对原子分子产物的高效电离。通过该课题，学生可以得到计算机辅助设计，仪器自动控制等方面的训练，并全面了解采用非线性光学方法产生真空紫外光的实验方法，深入学习自由基分子的探测技术，学生将具备搭建激光电离实验设备的能力。

对于正在带电运行的超高真空系统，如果电力能源供应出现意外，或者抽气系统出现问题，导致环境空气进入超高真空系统，轻则导致真空被破坏，重则损坏正在运行的电子仪器，带来灾难性的后果。因此，对于超高真空系统，配备一套基于全程规测量的真空安全保护装置是有必要的。本课题计划搭建一套基于全程规测量的真空安全保护装置，通过全程规实时测量的信号反馈，来实现对真空系统真空的保护以及对相关供电电路的控制。学生通过参与本项目工作，将学习数据采集，计算机实时数据处理，电路自动控制等基本实验方法，掌握相关的基本电子、真空技术，以及常用的软硬件技术，具备独立搭建一套基于全程规测量的真空安全保护装置的能力。

原子分子在金属表面的解离吸附在多相催化、腐蚀等工业过程中占有非常重要的地位。深入研究不同激发态分子在不同金属表面的解离吸附不仅有助于我们加深对解离动力学本质的理解与认识，为设计和发展新的催化剂或改良催化剂提供线索和理论依据，也能帮助我们通过控制分子的量子态和碰撞能来实现对解离吸附的调控。而在理论研究上，由于固体表面的参与，分子在固体表面的解离吸附问题无论在电子结构计算还是在动力学研究方面都比孤立分子体系研究复杂和困难；在分子-表面反应动力学研究中，实验对理论的指导和检验不可缺少；理论研究则需要在实验指导下，构建合理动力学模型，优化反应势垒，并在此基础上构造尽量精确的势能面和开展尽可能精确的动力学计算，为实验提供解释。本课题计划搭建一套分子束-表面装置，结合实验室最近发展的分子束振动激发技术，来测量不同量子态的氢分子在各种金属表面的绝对解离系数。学生通过参与本项目工作，将学习到激光系统设计与调节、程序设计、真空技术、机械设计等知识，初步掌握科学研究方法，了解搭建一套科研装置的过程。

在一些日常的化学过程，例如燃烧、大气化学反应中，相当一部分的反应物分子是处于振动、转动激发态的，对这些化学反应有很大的贡献。因此，研究振动、转动激发态的性质，揭示它们在化学反应中扮演的角色，不仅有助于加深我们对化学反应本质的认识，增进对燃烧、大气反应的理解，也有助于发展通过控制反应物分子的量子态来实现对化学反应的调控的方法。本课题计划搭建一套交叉分子束装置，首先制备处于特定振转激发态的反应物分子，然后让其与自由基发生反应散射，并测量产物分子的量子态分布和散射角度分布，从而理解化学反应过程中的相互作用。学生通过参与本项目工作，将学习3维腔体设计、激光器搭建、光电探测、数据采集和处理、真空获得等基本实验技术。