研究原子高激發態碰撞效應的新方法

摘 要：物質世界由原子分子構成，對原子分子碰撞進行的研究，能幫助我們更好的了解微觀粒子的內部結構以及相關規律。碰撞效應包括譜線的頻移和展寬，譜線的線性非對稱性和譜線伴線等現象。其中碰撞引起的原子高激發態譜線展寬和頻移是碰撞效應的重要組成部分，對近年來興起的量子通訊和量子計算領域研究具有極其重要的作用。雙光子共振非簡并四波混頻作為一種擁有高分辨率的激光光譜學技術，被發現在研究原子高激發態的碰撞效應方面具有比現代碰撞測量技術更為優秀的表現。

關鍵詞：碰撞效應；里德伯態；四波混頻

1碰撞效應

1.1 碰撞問題的發展

早在16世紀，物理學家就開始提出與碰撞相關的問題，并且在長期的研究過程中逐漸建立了相應的理論，來探索碰撞問題并研究其規律及特點。其中，最著名的成就之一，就是牛頓在總結了物體之間相互碰撞的規律，并進行了大量的實驗之后，提出了作用與反作用定律，極大的促進了人們對碰撞問題的探索。只是，當時對碰撞問題的研究還僅限于宏觀物體。隨著科學技術的發展，到近現代，物理學界對碰撞問題的探索早已深入到微觀領域。19世紀初，盧瑟福基于碰撞理論，進行了著名的α粒子散射實驗，提出了原子的有核模型，認為原子內存在原子核，原子核很小，并且原子的大部分質量都集中在原子核上。1925年，弗蘭克和赫茲在研究電子與惰性氣體碰撞的性質時，發現了電子和分子之間的彈性碰撞。19世紀末，科學家們深入的研究了電子與質子及束縛中子的非彈性碰撞。我們知道，物質世界是由原子分子構成的，在微觀領域對碰撞問題進研究，有助于我們更好的了解原子分子的內部結構以及相關規律。所以，在粒子碰撞方面的探究，正在吸引人們越來越多的研究熱情。目前碰撞效應的研究主要集中在原子和原子間的碰撞現象。

1.2 碰撞問題分類

碰撞效應是指當一個粒子同其他原子或分子等發生相互碰撞的時候，其固有的輻射頻率發生了變化。在碰撞過程中，根據是否存在原子激發，可以分為彈性碰撞和非彈性碰撞。

（1）彈性碰撞

如果在碰撞過程中粒子的總動能沒有發生改變，只是在粒子間相互傳遞，而且沒有引起粒子內能的變化，也沒有引發能級躍遷，這樣的過程即為彈性碰撞。當粒子間發生彈性碰撞時，在發光過程中會使粒子的相位發生突變，從而引起譜線的頻移與展寬。

（2）非彈性碰撞

在碰撞過程中，不僅粒子的動能發生了改變，同時也引起了粒子內能的變化，在碰撞后一部分粒子內能增加，并且增加值足以引發其由低能級到高能級的躍遷，并伴隨有原子輻射，這個過程就稱為為非彈性碰撞。只有在非彈性碰撞的過程中才可能存在原子激發[1]。在此過程中我們可以發現一些有趣的現象，比如出現了伴線和發生了譜線移動，也就是發生了能級再分布現象，這可以幫助我們實現在原子中存在的某些光學禁戒躍遷[2]。

總之，原子間的彈性碰撞主要表現為原子譜線的展寬和頻移，非彈性碰撞主要表現為原子譜線的伴線現象。

1.3 原子間碰撞效應的研究方法

處于原子的高激發態的價電子與原子核間的距離很大，受到原子核作用力很小，因而價電子可以在高激發態的軌道上存在很長的時間。在同一時刻，價電子躍回低能量態所發出的熒光極弱，難于被觀測到。所以現代測量技術在先用激光將原子激發到高激發態后并不觀測電子由高激發態向下躍遷產生的熒光，而是外加電場，將處于高激發態的電子電離掉，然后通過電路測量電離后的電子和離子來間接獲得高激發態的碰撞信息。這樣就造成了實驗設備復雜，測量到的高激發態的碰撞展寬不是兩個特定能態間相互作用的結果。

2四波混頻

2.1 四波混頻的特點

四波混頻是有四束光波參與的非線性光學過程，其中的三束光為入射激光，第四束為沿確定方向出射的信號光。具有共振激發的四波混頻（FWM）是一種用途很廣的高分辨率激光光譜學技術。它在分析化學、燃燒和材料研究等很多領域里都有重要應用。它具有高分辨率，可以消除強熒光背景和超快動態的時間分辨測量能力，因此比其他技術更為優越。而其中的共振增強非簡并四波混頻（NFWM），更具有優秀的空間信號分辨率，可自由選擇相互作用體積和簡單的光路結構，并且相位匹配可以在很寬的頻率范圍內實現的突出優勢，從而在四波混頻光譜學中最為優異[3]。

近年來，人們將共振增強非簡并四波混頻應用在原子高激發態的研究領域，取得了突出進展。最近更將之用于研究原子的碰撞效應，成為了一種研究碰撞效應的新工具。

2.1 共振增強非簡并四波混頻的原理

用于研究原子高激發態碰撞效應的四波混頻為雙光子共振非簡并四波混頻。它的光路結構簡單，如圖1（a）所示[4]。光束2和2具有相同的頻率 ，它們間有一個小夾角 ，光束1的頻率是 ，它沿與光束2相反的方向入射到樣品池中。如圖1（b）所示的三能級結構中，光束1和2共同作用將原子的價電子由能級 態激發到能級 態上，這是一個雙光子參與的過程。之后，光束2使價電子躍遷至能級 附近，進而產生頻率為 ，沿幾乎與光束2相反方向的信號光。其中光束1和2的頻率和 + 越接近 和 能級的固有頻率 ，就會獲得越多的 能級對NFWM過程的共振增強，使四波混頻信號極大增強，從而雙光子共振非簡并四波混頻的譜線反映了能級 的頻率和分布。

圖1 雙光子共振非簡并四波混頻原理圖

（a）光路圖；（b）能級結構圖

3.應用雙光子共振非簡并四波混頻研究原子高激發態的碰撞效應

圖2 不同緩沖氣壓下，鋇原子6s16d 1D2態的NFWM譜線

近年來，人們開始采用雙光子共振非簡并四波混頻研究原子高激發態的碰撞效應，例如孫江等學者采用雙光子共振非簡并四波混頻的方法對鋇原子里德伯態的碰撞效應進行了測量[4]。他們將氬氣作為緩沖氣體，研究樣品爐中鋇原子（蒸汽）和氬原子發生的碰撞效應。圖2是鋇原子高激發態6s16d1D2的NFWM譜線。圖中可以看到當緩沖氣壓（反映了氬原子和鋇原子發生碰撞的頻率）由133.32帕斯卡（Pa）增加到79999帕斯卡（Pa）的過程中，6s16d 1D2態的四波混頻譜線不斷展寬，其共振頻率也向左發生了移動。由于雙光子共振NFWM的譜線反映了鋇原子6s16d1D2態的頻率和形狀，該圖直觀的展示了碰撞引起的6s16d1D2態的展寬和頻移。

采用雙光子共振非簡并四波混頻研究原子的高激發態碰撞效應，具有光路簡單，采用實驗設備少的優點，同時該方法研究的是和能級能級間的碰撞展寬，對于量子信息和量子技術具有重要意思。

參考文獻

[1] 錢汝蘭.碰撞與原子的激發[J].濟寧師專學報，1999，20（6）：26.

[2] Zhiying Li. Inelastic collisions in ultracold gases confined by. one-dimensional optical lattices[J]. Phys. Rev.A.81， 012701 （2010）.

[3] Y. R. Shen. The Principles of Nonliner Optics[M].John Willey &Sons， Inc. New York，1984.

[4] Sun J， Sun J， Wang Y， Su H X 2012 Acta Phys. Sin. 61 124205 （in Chinese） [孫江， 劉鵬， 孫娟， 蘇紅新， 王穎2012 物理學報 61 124205].

作者簡介：常曉陽（1987-），男，漢族，山西省長治市人，河北大學光學碩士，單位：河北大學物理科學與技術學院，研究方向：非線性光學。