基于光抽運技術的銫原子雙共振光譜特性分析實驗*

賈利芳

(忻州師范學院五寨分院，山西 忻州 036200)

引言

光譜能夠直觀反映Cs原子內部的大量信息，描述原子結構和運動狀態，研究Cs原子光譜，分析其光譜特征，能夠促進對Cs分子結構和固體結構的研究，在激光器、射線輻射等天體物理的研究中，發揮著重要作用[1].國外對原子光譜特性的研究較為成熟，1814年就有物理學家對太陽光譜進行深入分析，制作了高分辨率的平面光柵和凹面光柵，并繪制原子光譜圖中的八根顯要黑線，此后對火焰光譜和火花光譜進行大量實驗，利用改進后的透射光柵和衍射光柵，對原子發射和吸收的光譜進行精確測量[2].而國內對原子光譜的研究起步較晚，通過測定法，對一些材料的光譜定性進行分析，但當前原子光譜的數據資料中，銫原子雙共振光譜特性的研究文獻較少，且波長精準缺乏足夠精度，Cs原子光譜特性的觀測結果沒有統一標準，為資料借鑒和使用都提供了一定難度[3].

為解決以上問題，基于光抽運技術進行了銫原子雙共振光譜特性分析實驗.光抽運技術作為一種原子物理學的實驗方法，能使激光器產生自旋極化的載流子，在實驗過程中，能夠保證Cs原子雙共振的輸出偏振特性，并對短波長自旋 VCSELs的工作溫度、以及閾值特性進行有效控制，相比雙共振光譜，其光抽運雙共振光譜的探測精度更為精確[4].

1 資料與方法

1.1 實驗裝置

Cs原子雙共振光譜特性分析實驗在相對濕度為30%、標準大氣壓、室溫22 ℃環境下開展[5].主要儀器和型號如表1所示：

表1 實驗主要儀器和型號

此次實驗裝置對Cs原子管進行改進，在傳統實驗裝置陰極K前加一個極板，并在陰極K右側加一個加熱陰極F，一個柵極G1，令柵極G1與柵極G2處于同一電位，其中KG1間距要小于電子在Cs原子氣體中的平均自由程[6].使四極管內充入Cs原子，此時Cs原子退激發發出的光為可見光，且裝置改進后，Cs原子的碰撞和加速可以在兩個區域分別進行，其Cs管結構如圖1所示.

圖1 改進后的Cs管結構

設置光譜實驗電學參數，加熱電壓<6.3 V，加速電壓<80 V，控制柵極電壓為0～5 V，拒斥電壓為0～10 V，Cs原子第一激發態電勢為16.7 V，加熱電流為230 mA，Cs填充壓約為10 HPa，調整管腳對應位置，完成實驗的準備工作[7].

1.2 基于光抽運技術激發Cs原子束光譜

利用Powerlite 8010激光器產生濺射光源，NarrowScan脈沖型激光器產生激發光源，并與超聲分子束相結合，進而產生Cs原子束[8].激光器采用外部觸發的方式，首先用蒸餾水循環冷卻激光器內部震蕩腔，內循環蒸餾水的水溫要維持在221 ℃，用BNC線將激光器與DG645連接起來[9].令DG645所有輸出為NORMAL、TTL和High Z，延時處理分別為10 us，即A=B=C=D=T+10 us，AB與CD都是下降沿輸出，其中NORMAL與AB沿輸出連接，TTL、High Z與CD沿輸出連接，以此控制激光器功率[10].此時DG645輸出的脈沖信號如圖2所示.

(1)Powerlite 8010；(2)NarrowScan脈沖型

當DG645延遲時間為350 us時，激光器輸出功率達到最大，為0.8 W，維持該延遲時間不變，同步觸發光譜探測器和激光器.采取Coumarin 480激光染料，將Cs管中的氣泡排干凈，并制作染料池，其中放大級染料的體積分數為0.133 g/L，震蕩級染料質量分數為0.4 g/L[11].激光器光束通過分束鏡和平凸石英透鏡，被分為多束激光，控制全部激光功率在需要的能量范圍內，使其被整形入射到染料池中，并在各個面上反射形成雙共振光束，此時激光束經過染料池時會被再次放大，被激光器激發的染料分子會在Cs管柵極之間形成振蕩熒光，使激光器光束壓窄線寬，而絕大部分泵浦光則會被反射到放大級染料池中，作為放大級的泵浦光.同時共振光會在振蕩腔中形成自發輻射，輸出倍頻光，進而改變不同波長的光匹配相位，根據光匹配相位，將雙共振光束與不需要的泵浦光分開，最后采取BBO倍頻晶體掃描激光頻率，使雙共振光束作為誘導Cs原子光源[12].

將Cs原子管固定在三維平移臺上，使每束激光脈沖作用在Cs原子位置上，同時為確保獲得穩定的Cs原子束，Cs靶材有一個圓形進光孔和2×12 mm狹縫，通過小孔聚焦光束進入裝有Cs的管，將Cs原子加熱成氣體，聚焦光斑直徑為0.5 mm，避免樣品過度燒蝕，此時雙共振光束1∶1.2成像耦合.使光纖探頭收集位置距離Cs靶材表面 3 mm，利用光抽運技術調節雙共振光束的偏振態，控制光束輸出的偏振特性，激光作為誘導Cs原子束的光源，擊穿Cs原子體的光輻射信號，具體實驗過程如圖3所示.

圖3 基于光抽運技術誘導Cs原子束

如圖3所示，產生Cs原子束后，匹配將濺射光與激發光的頻率，將光譜探測器正對Cs原子束飛行的方向，采取超聲分子對Cs原子束進行冷卻，使Cs原子直接撞擊到探測器上，獲得Cs原子束的發射光譜.

1.3 模擬雙共振光譜檢測譜線

Cs原子束發射的線狀光譜在視野范圍內，只能觀測到兩條譜線，利用Matlab 對Cs原子束的衍射光譜進行模擬.首先令點光源形成平行光入射到光柵上，通過透鏡接收屏形成光柵衍射條紋，疊加衍射條紋匯聚于屏上一點，采取光柵衍射公式進行積分，模擬Cs原子的整體雙共振光譜[13].利用電腦顯示器，使Cs原子光譜顏色通用RGB值來表達，其色彩范圍為0～255，通過Word自定義顏色功能里的顏色卡，找到Cs原子雙共振光譜中不同顏色的色光.采取RGB歸一化的方法，表示衍射光譜的不同躍遷譜線，并對其進行模擬仿真，如圖4所示.

圖4 Cs原子雙共振光譜圖

調節好光譜儀，將光管固定在儀器支架上，使入射光譜垂直照射到光柵上，Cs原子雙共振光譜能量密度為35.39 T/cm2，調整圖4所示光譜線所對應的衍射角，獲取光譜分布在中央明條紋兩側的色譜線，測量光譜線±級夾角δ左、δ右，然后與標準波長進行對比，控制誤差得到光譜線衍射角[14].此時各躍遷波長對應衍射角數據如表2所示.

表2 雙共振光譜線對應衍射角數據

設入射光波長為λ，光譜線級數為k，發射光譜衍射角為θ，分光計檢測常數為b，則光譜線波長λ要滿足的條件φλ為：

(1)

使光譜線依次按衍射角大小的順序散開，形成顏色唯一的單色光，獲取第一激發態向基態的躍遷，從而檢測單色光的譜線強度[15].設光柵縫數為N，光柵常量為d，透鏡到接收屏光點的距離為x，單縫衍射零級處的衍射光強為Iθ，接收屏光點為P，透鏡焦距為a，則譜線強度IP為：

(2)

使用分光計檢測光譜線中的第1級，即可測量雙共振光譜中不同單色光的波長.去除暗噪聲，利用Ocean optics SpectraSuiter 軟件對Cs原子光譜進行采集，并記錄Cs原子雙共振光譜的信息數據.

2 實驗結果分析

采集光譜平均掃描數，實驗觀測到6條Cs原子譜線，實驗中時間延遲為3 us，門寬為200 ns時.記錄光抽運雙共振、雙共振、及平行光柵光譜中的Cs原子譜線強度，實驗結果如表3所示.

表3 Cs原子光譜強度實驗結果

由表3可知，在495～535 nm波長范圍內， Cs原子光抽運雙共振和雙共振譜線強度，相比于平行光柵均有不同程度的增強，且光抽運雙共振的增強效果最為明顯.當Cs 波長為521.8 nm時，譜線增強因子最高為2.1，此時光譜強度達到最高值，相比平行光柵和雙共振的譜線強度，分別增加了6 920 nm、5 590 nm.而Cs原子束波長為501.7～515.3 nm、529.3 nm時，光抽運雙共振譜線增強因子分別為0.2、0.3、1.4、1.7、0.8，同樣對Cs原子束光譜具有增強作用.

選取光譜強度差距最為明顯的521.8 nm Cs原子譜線，其隨時間演化的光譜強度如圖5所示.由圖5可知，隨誘導Cs原子束延時時間的增加，三種光譜譜線強度總體呈下降變化，計算可得光抽運雙共振平均譜線強度為12 300 a.u，雙共振和平行光柵譜線強度分別為6 600 a.u、5 100 a.u，強度相比增加了5 700 a.u、7 200 a.u，其譜線強度在14 us時趨于平穩，但光抽運雙共振譜線強度始終強于雙共振和平行光柵光譜.這是由于激光誘導的Cs原子束發射光譜時，其Cs原子會受到光抽運技術的偏振控制，從而約束Cs原子束的快速膨脹，而雙共振光譜和平行光柵光譜由于省略了這一步驟，Cs原子束會高速運動發生碰撞，產生電離降低譜線強度.

圖5 Cs原子521.8 nm光譜強度的時間演化

截取Cs原子束的誘導時間，選取譜線強度變化最大的10 us，光譜波長仍為521.8 nm，此時Cs原子譜線強度的空間分布如圖6所示.

圖6 Cs原子521.8 nm光譜強度的軸向空間分布

由圖7可知，在縱向空間分布中，三種Cs原子光譜譜線強度波動變化基本一致，在0～1 mm、5～5.5 mm空間范圍內，Cs原子譜線強度的復合概率增加，而在距離Cs靶材表面1.5～5 mm范圍內，三種光譜的譜線強度出現增強現象，且強度差距較為明顯，光抽運雙共振譜線強度一直大于雙共振和平行光柵，當空間分布為3.5 mm時，譜線強度差距最大，分別增強了1 050 a.u、1 920 a.u.在橫向空間分布中，其變化趨勢與縱向空間基本一致，當尺寸橫向分布為0 mm時，光抽運雙共振譜線強度達到最大，相比雙共振和平行光柵，分別增加了490 a.u、1 590 a.u.

圖7 Cs原子521.8 nm光譜強度的橫向空間分布

3 實驗結果討論

光抽運技術調整了Cs原子束的偏振特性，增強了光譜譜線強度.當Cs原子向外膨脹時，其自發輻射比較大，Cs原子內部碰撞復合概率較大，橫向尺寸縮小，而光抽運雙共振光譜通過壓縮Cs原子束密度，對大量Cs原子進行束縛，光抽運技術控制Cs原子束的沖擊波偏振，Cs原子在磁場中作拉莫爾回旋運動，使Cs原子束呈球形向外膨脹，從而導致光譜分布空間區域小于空氣環境情形.當Cs原子束在膨脹過程中滿足速度分布時，磁場約束會對Cs原子束的發射光譜產生反彈壓縮現象，此時在空間約束環境下，利用激光器對Cs原子進行誘導，沿軸向膨脹距離會小于雙共振和平行光柵等光譜，激光誘導Cs原子體內的帶電粒子，使Cs原子沿軸向膨脹，Cs原子束內的原子數目增加，負電電子和正電電子均受到磁場洛倫茲力的作用，并在空間約束和沖擊波壓縮等綜合作用下， Cs原子體羽膨脹形狀發生變化，從而造成Cs原子譜線強度增強的特性.

由于譜線強度增強，Cs原子體羽呈柱狀向外膨脹，產生壓縮Cs原子體現象，使磁場范圍內的Cs原子數目密度增大，Cs原子束沖擊波沿垂直方向膨脹，而光抽運雙共振光譜在空間約束下進行反射時，Cs原子的橫縱向膨脹尺寸變窄.當激光束與躍遷線同時共振過程中，受沖擊波壓縮作用，Cs原子布局數減少，且激光束作為探測光，具有磁流體動力學特點，因此，光抽運雙共振導致Cs原子吸收減弱的透射譜，原子束內粒子同時滿足了磁空混合和空束環境的約束，此時激光束在Cs原子光抽運雙共振光譜中，會通過級聯雙光子通道進行躍遷，控制其原子光譜的速度和自發輻射過程，從而在Cs原子基態布局數的變化過程中，獲得躍遷譜線的中間激發態與更高激發態，且激光束偏振方向會調節為不同的偏振狀態，導致兩者同時共振.除此之外，光抽運雙共振速率對Cs原子能級躍遷幾率具有很大影響，造成激光穩頻以及光譜具有高分辨率.綜上所述，基于光抽運技術的銫原子雙共振光譜具有窄線寬、高信噪比的特性，且光譜譜線強度較強，其信號強度會發生明顯變化.

4 結論

本文對Cs原子雙共振光譜特性進行了研究，實驗過程中，充分發揮出光抽運技術控制激光束偏振的特點，使原子束內Cs原子復合概率增加，進而分析其光譜特性，得出銫原子雙共振光譜譜線強度較強，信號強度變化顯著的結論.但在實驗過程中，由于實驗儀器需要手動調節，光譜探測器等讀數需要估讀，以及室內溫度和光線等影響，對實驗結果造成了一定的偏差，在今后的研究中，會針對以上問題加以改進.