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飞秒时间分辨相干反斯托克斯喇曼散射(飞秒CARS)光谱已发展成为一种可用于原子及分子内超快动力学过程研究、痕迹量检测和燃烧诊断的光谱技术。然而,在低浓度气/液相介质中,由于介质的三阶非线性极化率x(3)值很小,CARS信号极为微弱,信噪比和探测灵敏度低成为限制飞秒CARS技术应用的瓶颈。本论文采用频域滤波与空间滤波技术,结合共振增强原理,提高了飞秒CARS光谱实验系统的信噪比和探测灵敏度,对低压碘蒸气、CH4/O2/N2稳定火焰、甲醇乙醇分子、低浓度染料分子等气/液相介质分子的超快动力学过程进行了研究。 在低压(浓度)气相介质分子内超快动力学过程研究方面,本文采用自行建立的高信噪比和高探测灵敏度的飞秒CARS光谱系统,实现了对室温(293K)低压(碘蒸气压～35Pa,1.44×10-5mol/L)气相碘分子内超快动力学过程的选择性激发与探测。通过光谱分析获得了碘分子内基态电子态X(1Π+0g)与激发态电子态B(3Π+0u)相干振动的振动周期、频率和能级差等信息,同时观测到分子内量子振动拍现象及振动消相较长时间内(>40ps)更为细致的信息。通过分别调谐泵浦光和斯托克斯光,获得了碘蒸气分子基态X(1Π+0g)和激发态B(3Π+0u)不同振动能级的振动周期、振动频率和振动能级间隔等信息,发现基态电子态X(1Π+0g)上不同振动量子的振动周期随斯托克斯光波长的增加而增加,激发态电子态B(3Π+0u)上不同振动量子的振动周期随泵浦光波长的增加而减小。这一结论对于更好的理解量子相干振动的选择性激发与探测具有重要意义。与国际上报道的碘在加热条件下(一般加热至360K,对应碘蒸气压≥3500Pa)的飞秒CARS光谱实验研究结果相比较,本文飞秒CARS光谱系统的探测灵敏度提高了至少4个数量级。 利用飞秒CARS光谱技术,在CH4/O2/N2稳定火焰这一气相介质中进行了测温研究。以氮气分子为探针分子,获得了预混CH4/O2/N2火焰在900K~1350K范围内的飞秒CARS光谱,通过拟合获得了火焰温度,测量结果可达±20K,该结果优于国际报道的±50K测量结果。 在液相介质分子内超快动力学过程研究方面,采用飞秒CARS光谱技术对甲醇/乙醇有机物小分子内的超快振动动力学过程进行了选择性激发研究。针对甲醇、乙醇分子内 C-H基团伸缩振动(2800~3000cm-1)模式进行选择性激发,获得了不同浓度甲醇水溶液中C-H基团的飞秒CARS光谱,发现光谱中共振部分的衰减特性与甲醇浓度之间存在对应关系,据此提出采用飞秒CARS光谱技术检测有机溶液浓度的设想,为有机溶液浓度的快速测定提供了一种新的测量方法。获得了甲醇和乙醇分子C-H基团的超快振动动力学信息,通过光谱分析获得了其振动周期分别为311±8fs(107±3cm-1)和660±8fs(50±1cm-1)等重要动力学过程信息。 在有机物大分子内超快动力学过程研究方面,采用共振增强的方法,克服了溶剂背景对CARS信号的干扰,以激光染料Pyrromethene650(PM650)和Cresyl Violet670(CV670)为喇曼介质,利用共振增强飞秒CARS实现了对低浓度(10-4~10-5mol/L)染料大分子PM650和CV670基态超快动力学过程的选择性激发。通过光谱分析,获得了分子内发生相干振动动力学过程的振动周期、频率及能级差等重要信息。研究了染料分子的溶剂效应,发现溶剂效应不影响飞秒CARS光谱技术对 PM650、CV670分子内超快振动动力学过程的振动周期、频率及消相时间等的测量。这项研究的开展为深入理解染料分子内超快动力学过程与其光物理特性之间的内在联系和研制新的激光染料提供了重要实验基础和技术手段。 本文通过采用频域滤波与空间滤波技术并结合共振增强原理有效提高了飞秒CARS光谱技术的信噪比和探测灵敏度,拓展了飞秒时间分辨CARS光谱技术在低浓度气/液相介质分子内超快动力学过程研究方面的应用,对于推动飞秒CARS光谱技术在分子动力学、痕迹量检测、燃烧诊断等领域的应用具有重要的科学意义和应用价值。