基于光抽运技术的铯原子双共振光谱特性分析实验*

贾利芳

(忻州师范学院五寨分院，山西 忻州 036200)

引言

光谱能够直观反映Cs原子内部的大量信息，描述原子结构和运动状态，研究Cs原子光谱，分析其光谱特征，能够促进对Cs分子结构和固体结构的研究，在激光器、射线辐射等天体物理的研究中，发挥着重要作用[1].国外对原子光谱特性的研究较为成熟，1814年就有物理学家对太阳光谱进行深入分析，制作了高分辨率的平面光栅和凹面光栅，并绘制原子光谱图中的八根显要黑线，此后对火焰光谱和火花光谱进行大量实验，利用改进后的透射光栅和衍射光栅，对原子发射和吸收的光谱进行精确测量[2].而国内对原子光谱的研究起步较晚，通过测定法，对一些材料的光谱定性进行分析，但当前原子光谱的数据资料中，铯原子双共振光谱特性的研究文献较少，且波长精准缺乏足够精度，Cs原子光谱特性的观测结果没有统一标准，为资料借鉴和使用都提供了一定难度[3].

为解决以上问题，基于光抽运技术进行了铯原子双共振光谱特性分析实验.光抽运技术作为一种原子物理学的实验方法，能使激光器产生自旋极化的载流子，在实验过程中，能够保证Cs原子双共振的输出偏振特性，并对短波长自旋 VCSELs的工作温度、以及阈值特性进行有效控制，相比双共振光谱，其光抽运双共振光谱的探测精度更为精确[4].

1 资料与方法

1.1 实验装置

Cs原子双共振光谱特性分析实验在相对湿度为30%、标准大气压、室温22 ℃环境下开展[5].主要仪器和型号如表1所示：

表1 实验主要仪器和型号

此次实验装置对Cs原子管进行改进，在传统实验装置阴极K前加一个极板，并在阴极K右侧加一个加热阴极F，一个栅极G1，令栅极G1与栅极G2处于同一电位，其中KG1间距要小于电子在Cs原子气体中的平均自由程[6].使四极管内充入Cs原子，此时Cs原子退激发发出的光为可见光，且装置改进后，Cs原子的碰撞和加速可以在两个区域分别进行，其Cs管结构如图1所示.

图1 改进后的Cs管结构

设置光谱实验电学参数，加热电压<6.3 V，加速电压<80 V，控制栅极电压为0～5 V，拒斥电压为0～10 V，Cs原子第一激发态电势为16.7 V，加热电流为230 mA，Cs填充压约为10 HPa，调整管脚对应位置，完成实验的准备工作[7].

1.2 基于光抽运技术激发Cs原子束光谱

利用Powerlite 8010激光器产生溅射光源，NarrowScan脉冲型激光器产生激发光源，并与超声分子束相结合，进而产生Cs原子束[8].激光器采用外部触发的方式，首先用蒸馏水循环冷却激光器内部震荡腔，内循环蒸馏水的水温要维持在221 ℃，用BNC线将激光器与DG645连接起来[9].令DG645所有输出为NORMAL、TTL和High Z，延时处理分别为10 us，即A=B=C=D=T+10 us，AB与CD都是下降沿输出，其中NORMAL与AB沿输出连接，TTL、High Z与CD沿输出连接，以此控制激光器功率[10].此时DG645输出的脉冲信号如图2所示.

(1)Powerlite 8010；(2)NarrowScan脉冲型

当DG645延迟时间为350 us时，激光器输出功率达到最大，为0.8 W，维持该延迟时间不变，同步触发光谱探测器和激光器.采取Coumarin 480激光染料，将Cs管中的气泡排干净，并制作染料池，其中放大级染料的体积分数为0.133 g/L，震荡级染料质量分数为0.4 g/L[11].激光器光束通过分束镜和平凸石英透镜，被分为多束激光，控制全部激光功率在需要的能量范围内，使其被整形入射到染料池中，并在各个面上反射形成双共振光束，此时激光束经过染料池时会被再次放大，被激光器激发的染料分子会在Cs管栅极之间形成振荡荧光，使激光器光束压窄线宽，而绝大部分泵浦光则会被反射到放大级染料池中，作为放大级的泵浦光.同时共振光会在振荡腔中形成自发辐射，输出倍频光，进而改变不同波长的光匹配相位，根据光匹配相位，将双共振光束与不需要的泵浦光分开，最后采取BBO倍频晶体扫描激光频率，使双共振光束作为诱导Cs原子光源[12].

将Cs原子管固定在三维平移台上，使每束激光脉冲作用在Cs原子位置上，同时为确保获得稳定的Cs原子束，Cs靶材有一个圆形进光孔和2×12 mm狭缝，通过小孔聚焦光束进入装有Cs的管，将Cs原子加热成气体，聚焦光斑直径为0.5 mm，避免样品过度烧蚀，此时双共振光束1∶1.2成像耦合.使光纤探头收集位置距离Cs靶材表面 3 mm，利用光抽运技术调节双共振光束的偏振态，控制光束输出的偏振特性，激光作为诱导Cs原子束的光源，击穿Cs原子体的光辐射信号，具体实验过程如图3所示.

图3 基于光抽运技术诱导Cs原子束

如图3所示，产生Cs原子束后，匹配将溅射光与激发光的频率，将光谱探测器正对Cs原子束飞行的方向，采取超声分子对Cs原子束进行冷却，使Cs原子直接撞击到探测器上，获得Cs原子束的发射光谱.

1.3 模拟双共振光谱检测谱线

Cs原子束发射的线状光谱在视野范围内，只能观测到两条谱线，利用Matlab 对Cs原子束的衍射光谱进行模拟.首先令点光源形成平行光入射到光栅上，通过透镜接收屏形成光栅衍射条纹，叠加衍射条纹汇聚于屏上一点，采取光栅衍射公式进行积分，模拟Cs原子的整体双共振光谱[13].利用电脑显示器，使Cs原子光谱颜色通用RGB值来表达，其色彩范围为0～255，通过Word自定义颜色功能里的颜色卡，找到Cs原子双共振光谱中不同颜色的色光.采取RGB归一化的方法，表示衍射光谱的不同跃迁谱线，并对其进行模拟仿真，如图4所示.

图4 Cs原子双共振光谱图

调节好光谱仪，将光管固定在仪器支架上，使入射光谱垂直照射到光栅上，Cs原子双共振光谱能量密度为35.39 T/cm2，调整图4所示光谱线所对应的衍射角，获取光谱分布在中央明条纹两侧的色谱线，测量光谱线±级夹角δ左、δ右，然后与标准波长进行对比，控制误差得到光谱线衍射角[14].此时各跃迁波长对应衍射角数据如表2所示.

表2 双共振光谱线对应衍射角数据

设入射光波长为λ，光谱线级数为k，发射光谱衍射角为θ，分光计检测常数为b，则光谱线波长λ要满足的条件φλ为：

(1)

使光谱线依次按衍射角大小的顺序散开，形成颜色唯一的单色光，获取第一激发态向基态的跃迁，从而检测单色光的谱线强度[15].设光栅缝数为N，光栅常量为d，透镜到接收屏光点的距离为x，单缝衍射零级处的衍射光强为Iθ，接收屏光点为P，透镜焦距为a，则谱线强度IP为：

(2)

使用分光计检测光谱线中的第1级，即可测量双共振光谱中不同单色光的波长.去除暗噪声，利用Ocean optics SpectraSuiter 软件对Cs原子光谱进行采集，并记录Cs原子双共振光谱的信息数据.

2 实验结果分析

采集光谱平均扫描数，实验观测到6条Cs原子谱线，实验中时间延迟为3 us，门宽为200 ns时.记录光抽运双共振、双共振、及平行光栅光谱中的Cs原子谱线强度，实验结果如表3所示.

表3 Cs原子光谱强度实验结果

由表3可知，在495～535 nm波长范围内， Cs原子光抽运双共振和双共振谱线强度，相比于平行光栅均有不同程度的增强，且光抽运双共振的增强效果最为明显.当Cs 波长为521.8 nm时，谱线增强因子最高为2.1，此时光谱强度达到最高值，相比平行光栅和双共振的谱线强度，分别增加了6 920 nm、5 590 nm.而Cs原子束波长为501.7～515.3 nm、529.3 nm时，光抽运双共振谱线增强因子分别为0.2、0.3、1.4、1.7、0.8，同样对Cs原子束光谱具有增强作用.

选取光谱强度差距最为明显的521.8 nm Cs原子谱线，其随时间演化的光谱强度如图5所示.由图5可知，随诱导Cs原子束延时时间的增加，三种光谱谱线强度总体呈下降变化，计算可得光抽运双共振平均谱线强度为12 300 a.u，双共振和平行光栅谱线强度分别为6 600 a.u、5 100 a.u，强度相比增加了5 700 a.u、7 200 a.u，其谱线强度在14 us时趋于平稳，但光抽运双共振谱线强度始终强于双共振和平行光栅光谱.这是由于激光诱导的Cs原子束发射光谱时，其Cs原子会受到光抽运技术的偏振控制，从而约束Cs原子束的快速膨胀，而双共振光谱和平行光栅光谱由于省略了这一步骤，Cs原子束会高速运动发生碰撞，产生电离降低谱线强度.

图5 Cs原子521.8 nm光谱强度的时间演化

截取Cs原子束的诱导时间，选取谱线强度变化最大的10 us，光谱波长仍为521.8 nm，此时Cs原子谱线强度的空间分布如图6所示.

图6 Cs原子521.8 nm光谱强度的轴向空间分布

由图7可知，在纵向空间分布中，三种Cs原子光谱谱线强度波动变化基本一致，在0～1 mm、5～5.5 mm空间范围内，Cs原子谱线强度的复合概率增加，而在距离Cs靶材表面1.5～5 mm范围内，三种光谱的谱线强度出现增强现象，且强度差距较为明显，光抽运双共振谱线强度一直大于双共振和平行光栅，当空间分布为3.5 mm时，谱线强度差距最大，分别增强了1 050 a.u、1 920 a.u.在横向空间分布中，其变化趋势与纵向空间基本一致，当尺寸横向分布为0 mm时，光抽运双共振谱线强度达到最大，相比双共振和平行光栅，分别增加了490 a.u、1 590 a.u.

图7 Cs原子521.8 nm光谱强度的横向空间分布

3 实验结果讨论

光抽运技术调整了Cs原子束的偏振特性，增强了光谱谱线强度.当Cs原子向外膨胀时，其自发辐射比较大，Cs原子内部碰撞复合概率较大，横向尺寸缩小，而光抽运双共振光谱通过压缩Cs原子束密度，对大量Cs原子进行束缚，光抽运技术控制Cs原子束的冲击波偏振，Cs原子在磁场中作拉莫尔回旋运动，使Cs原子束呈球形向外膨胀，从而导致光谱分布空间区域小于空气环境情形.当Cs原子束在膨胀过程中满足速度分布时，磁场约束会对Cs原子束的发射光谱产生反弹压缩现象，此时在空间约束环境下，利用激光器对Cs原子进行诱导，沿轴向膨胀距离会小于双共振和平行光栅等光谱，激光诱导Cs原子体内的带电粒子，使Cs原子沿轴向膨胀，Cs原子束内的原子数目增加，负电电子和正电电子均受到磁场洛伦兹力的作用，并在空间约束和冲击波压缩等综合作用下， Cs原子体羽膨胀形状发生变化，从而造成Cs原子谱线强度增强的特性.

由于谱线强度增强，Cs原子体羽呈柱状向外膨胀，产生压缩Cs原子体现象，使磁场范围内的Cs原子数目密度增大，Cs原子束冲击波沿垂直方向膨胀，而光抽运双共振光谱在空间约束下进行反射时，Cs原子的横纵向膨胀尺寸变窄.当激光束与跃迁线同时共振过程中，受冲击波压缩作用，Cs原子布局数减少，且激光束作为探测光，具有磁流体动力学特点，因此，光抽运双共振导致Cs原子吸收减弱的透射谱，原子束内粒子同时满足了磁空混合和空束环境的约束，此时激光束在Cs原子光抽运双共振光谱中，会通过级联双光子通道进行跃迁，控制其原子光谱的速度和自发辐射过程，从而在Cs原子基态布局数的变化过程中，获得跃迁谱线的中间激发态与更高激发态，且激光束偏振方向会调节为不同的偏振状态，导致两者同时共振.除此之外，光抽运双共振速率对Cs原子能级跃迁几率具有很大影响，造成激光稳频以及光谱具有高分辨率.综上所述，基于光抽运技术的铯原子双共振光谱具有窄线宽、高信噪比的特性，且光谱谱线强度较强，其信号强度会发生明显变化.

4 结论

本文对Cs原子双共振光谱特性进行了研究，实验过程中，充分发挥出光抽运技术控制激光束偏振的特点，使原子束内Cs原子复合概率增加，进而分析其光谱特性，得出铯原子双共振光谱谱线强度较强，信号强度变化显著的结论.但在实验过程中，由于实验仪器需要手动调节，光谱探测器等读数需要估读，以及室内温度和光线等影响，对实验结果造成了一定的偏差，在今后的研究中，会针对以上问题加以改进.