基于铷饱和吸收光谱分析谱线频移的频率标尺

任博权，严祥安，刘耀武，段宝睿，郭 周

(西安工程大学理学院，陕西西安 710048)

近几十年来，饱和吸收光谱一直是光学中一个非常重要的课题.饱和吸收光谱[1](Saturated absorption spectroscopy, SAS)技术是一种在原子气室中直接消除多普勒加宽的简便激光光谱方法.自从“饱和吸收光谱”这一概念在20世纪70年代被Hänsch等提出后[2]，饱和吸收光谱的研究就受到人们的关注，这主要是因为饱和吸收光谱是一种高分辨率光谱，在激光频率标准[3-4]、激光冷却[5]等研究方面有着极为广泛的应用前景.近年来，国内研究人员利用饱和吸收光谱方法在研究激光锁频和稳频技术方面做了较多研究[6-9]，马红玉等[10]、张靖等[11]和甘建华等[12]有针对性地进行了各种锁频及稳频技术的研究.而在实验上利用饱和吸收光谱作为频率标尺来分析物质能级跃迁谱线的频移量的报道不是很多.因此文中利用设计的环形实验光路，观测出最佳条件下的87Rb D2线的饱和吸收光谱，与前人工作相比，文中研究不同之处有两点：① 同步扫描铷原子87Rb 和85Rb D2线的饱和吸收光谱，由87Rb D2线的饱和吸收峰确定的频率标尺来标定85Rb D2线饱和吸收峰间的频率差；② 同步扫描87Rb D2线和法布里-珀罗干涉条纹，用确定的频率标尺计算的自由光谱范围作为激发态能级跃迁的频率标尺，分析激发态跃迁谱线的频移量.

1 实验原理

实验使用的是含有87Rb和85Rb 2种同位素的混合气体的铷原子气室(自然丰度分别为27.8%和72.2%).87Rb和85Rb D2线能级结构如图1所示，基态能级都为52S1/2，两者的核自旋量子数分别为I=3/2，I=5/2.对于85Rb来说，基态有2个超精细能级，分别为F=2,3，激发态52P3/2有4个超精细能级F′=1,2,3,4.87Rb基态的2个超精细能级为F=1,2，激发态52P3/2的4个超精细能级F′=0,1,2,3.由能级跃迁选择定则可知，85Rb D2线的能级吸收跃迁是52S1/2,F=3→52P3/2,F′=2,3,4和52S1/2,F=2→52P3/2,F′=1,2,3,87Rb D2线的能级跃迁为52S1/2,F=2→52P3/2,F′=1,2,3和52S1/2,F=1→52P3/2,F′=0,1,2，共12条吸收谱线[13]，但由于多普勒展宽，只能得到带有多普勒背景的铷原子吸收光谱.故为了分析铷原子的超精细结构能级，设计环形光路实验装置消除多普勒展宽，观测最佳条件下的铷原子饱和吸收光谱.

2 实验装置及实验结果

实验中采用由同一台激光器发出的两束相向传播的激光光束，分别作为探测光(较弱)和泵浦光(较强)通过铷池来消除多普勒效应，从而观察铷原子D2线超精细能级跃迁的饱和吸收光谱.实验装置如图2所示，光源采用德国Toptical公司生产的外腔式可调谐半导体激光器DL100，其输出中心波长为780.24 nm.激光首先经过光隔离器(OI)以防止光反馈影响激光器的模式，输出激光经过λ/2波片和偏振分光棱镜(PBS1)，从PBS1出射的激光再经过λ/2和PBS2，反射方向的垂直偏振光作为探测光，透射方向的水平偏振光作为泵浦光.探测光和泵浦光在铷池相向传播，然后经偏振分光棱镜(PBS3)反射到探测器上.此饱和吸收光谱装置是在常规的饱和吸收光谱的装置上改进优化而来，与常规吸收光谱的装置相比可便于操作控制泵浦光和探测光的功率，提高了装置的稳定性.通过改变进入环形光路的入射总功率和探测光与泵浦光功率的比值以及铷池的温度来获得最佳条件下的饱和吸收光谱信号.实验结果表明，当泵浦光功率为0.9 mW，探测光功率为6.4 μW，探测光和耦合光功率的比例为1∶140左右，铷池的温度为50 ℃时，铷原子饱和吸收峰的信号达到最佳.

图1 铷原子D2线的能级图

图3给出了在同一示波器上观测到的铷原子D2线的饱和吸收谱，从左至右分别为87RbF=2，85RbF=3，85RbF=2，87RbF=1的吸收谱线.图4为87Rb D2线F=2的饱和吸收谱，左至右的6个饱和吸收谱线分别为F=2→F′=1，F=2→F′=

图2 铷原子D2线饱和吸收谱实验装置图

CO1-2，F=2→F′=2，F=2→F′=CO1-3，F=2→F′=CO2-3，F=2→F′=3，其中，COi-j表示i和j两能级之间的交叉峰.由于用示波器观测探测光信号时，横坐标显示的是扫描时间(图4a)，无法直接通过示波器分析谱线的频移量或者谱线之间的频率间隔.但是通过实验上观测87Rb D2线F=2的6个饱和吸收峰，可以选择任意两个峰对应的扫描时间间隔，再结合能级Rb的结构确定这2个峰之间的频差，通过频差和扫描时间间隔的对应关系，得到随频率变化的光谱线(图4b)，解决了示波器不能从频率范围分析信号谱线的问题.选定的2个峰之间的频差就可以作为频率标尺，可用于分析同步示波器不同输出通道的信号谱线的频移量。

图3 铷原子D2线的饱和吸收光谱

3 铷原子饱和吸收光谱的应用

3.1 吸收谱线的频率标尺

由于波长改变0.001 nm对应的频率改变量为0.5 GHz，由能级结构可知，铷原子D2线的精细结构宽度在400 MHz以内，所以在没有频谱仪或者精度有限的情况下，可以通过D2线的中心频率和铷原子的精细结构能级图计算出6个饱和吸收峰的频率，在实验中可作为频率标尺读出未知信号对应的频率或者频移量.

图4 87Rb D2线F=2的饱和吸收光谱

图5 87Rb D2线F=2和85Rb F=3饱和吸收光谱

表1 85Rb D2线F=3饱和吸收峰的频差的实验和理论

表2 85Rb D2线F=3饱和吸收峰的频率和波长

表3 85Rb D2线F=2饱和吸收峰的频率和波长

3.2 激发态跃迁谱线的频率标尺

通常情况下，原子遵循玻尔兹曼分布，绝大多数原子处于基态，所以饱和吸收光谱做频率标尺只能分析基态到激发态能级之间的跃迁谱线，不能分析激发态之间的跃迁谱线.因此文中用饱和吸收峰的能级之间的频率间隔来计算自由光谱范围，以此为标尺来标定激发态能级之间的跃迁谱线频移量.

对于共焦腔法布里-珀罗干涉仪，光线平行于干涉仪的中心轴进入，干涉仪的腔长为L，激光的波长为λ，透射极大的条件为

4nL=mλ,m=0,1,2,…,

(1)

或写成

(2)

其中，n为腔内的折射率;c为光在真空中的速度.当透射光从一个极大值跳到另一个极大值时，对应频率的自由光谱范围为

(3)

图6 饱和吸收光谱和法布里-珀罗干涉信号

由(3)式可知，只要腔长L一定，自由光谱范围不变，可以用同步扫描87Rb D2线和法布里-珀罗干涉条纹计算出来的自由光谱范围作为频率标尺，来分析激发态跃迁谱线的频移情况.图6为铷原子饱和吸收光谱和法布里-珀罗干涉仪的干涉信号，用87Rb D2线F=2中最先出现的两个交叉峰之间的频差78.5 MHz作为频率标尺，可计算出自由光谱范围为2 385.7 MHz.图7是以87Rb的激发态52P3/2→52D3/2的跃迁谱线776.157 nm为中心波长，在扫描激发态能级的情况下，在同一台示波器上观测到的级联三能级EIT信号和F-P腔干涉条纹，所用的F-P腔与图6一致，所以可以用2 385.7 MHz作为频率标尺，计算出级联三能级两个EIT峰之间的频差大致为44.5 MHz，与理论上87Rb 52D3/2F=3和F=2 2个精细能级频率的间隔一致.因此用饱和吸收光谱计算得到的法布里-珀罗干涉仪的自由光谱范围可作频率标尺，用来标定激发态能级之间的跃迁谱线频移量.

图7 电磁感应透明信号和法布里-珀罗干涉信号

4 结束语

研究了87Rb D2线F=2的6个饱和吸收峰可作为一种频率标尺在分析新谱线频移方面的应用，解决了示波器不能从频率范围分析信号谱线的问题，具体工作为：

1)用设计的环形光路观测到最佳条件下的87Rb D2线F=2的6个饱和吸收光谱.

2)用87Rb D2线F=2的6个饱和吸收光谱的波长和频率来判断实验上观测到的85Rb D2线的饱和吸收峰，计算出85Rb D2线F=2和F=3的6个饱和吸收谱线的频率和波长，与85Rb D2线超精细结构对应的能级跃迁频率和波长一致，故可以用铷原子的饱和吸收光谱作为频率标尺来标定基态到激发态跃迁谱线的频移量.同时还发现，在铷原子的饱和吸收谱实验中，最先出现并较为明显的是频率高的两个交叉峰，为标定新谱线的频移情况提供简便的操作方案.

3)同步扫描87Rb D2线和法布里-珀罗干涉条纹，用87Rb D2线F=2中最先出现的2个交叉峰之间的频差作为频率标尺，计算出自由光谱范围作为激发态能级跃迁的频率标尺，来分析激发态跃迁谱线的频移量.