CN100543459C - 碱土金属原子的高效率探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碱土金属原子的高效率探测方法。该方法利用共振电离的手段来探测处于高激发态的碱土金属原子。用一台Nd:YAG激光器同时泵浦三台染料激光器，先用两台染料激光照射碱土金属原子束，制备出处于不同n和l值的高激发态上的原子样品，然后用第三台染料激光将原子通过自电离过程而电离。利用自电离比常规光电离大得多的电离几率，对高激发原子进行高效率的探测。本发明是适合于高激发碱土金属原子的非常有效的探测手段，它克服了电场电离探测方法和光电离探测方法的缺陷，因而无论对于具有高n值或低n值的Rydberg原子都具有很高的探测效率。自电离探测方式与其它的常规探测方法相比，具有明显的优点。该探测方法适用于所有的碱土金属原子。

Description

碱土金属原子的高效率探测方法
【技术领域】：
本发明专利涉及一种探测技术，特别是一种碱土金属原子的高效率探测方法。
【技术背景】：
随着激光光谱技术在光化学、同位素分离、大气监测等领域应用的不断深入，需要对处于高激发态的原子和分子进行探测，并对探测的分辨率和灵敏度提出了越来越高的要求。传统探测方法(如吸收光谱、共振荧光光谱、光声光谱、光电流光谱和电场电离光谱)由于探测效率和分辨率等方面的约束，无法满足高激发态研究的需求。对于一些处于低激发态的原子和分子进行探测，比较有效的方式是采用荧光探测方法收集所辐射的光子信号，而对于处于高激发态的原子和分子，由于其寿命较长，辐射光子的速率较低，因而收集它们的电离产物—电子和离子更加合理。其原理是先用激光激发碱土金属原子，制备出处于Rydberg态的原子样品，然后采用适当方法使原子电离。通过探测电离产生的离子或电子，便可获得光激发和原子能态的重要信息。由于激光激发可以保证探测的灵敏度和选择性，而作为探测器的电子倍增装置又具有很高的增益，所以离子或电子可被高效率的收集和探测，因而共振激发和电力技术具有极高的探测效率，可实现单原子探测。
常用的电离方式有场电离和光电离等。两者各有优缺点，其中外加电场电离适用于寿命较长的高激发Rydberg态，缺点是对于处于较低Rydberg态上的原子，需要极高的电场才能使之电离。而用光电离方法可以探测到场电离所无法探测到的较低Rydberg态，但常规的直接光电离过程为非共振跃迁，其激发截面仅为10-20cm2，导致探测效率较低。若要提高探测效率，则必须提供很强的激光能量。
【发明内容】：
本发明目的是为解决现有的探测原子的技术所存在的效率低，适应面窄，不容易操作，对激光器的功率水平要求高等缺点和问题，而提出一种利用共振电离的概念开发出的高激发碱土金属原子的高效率探测方法。
为实现发明目的，本发明公开了一种碱土金属原子的高效率探测方法。其特征在于包括以下步骤：
(1)通过电阻的焦耳热方法将置于坩埚中的高纯度的碱土金属在真空环境中加热到580-630摄氏度，使金属蒸气从坩埚的直径为1-2mm的小孔喷射出，经过两个光阑的准直使金属蒸气成为平行度在8-12度之间的原子束；
(2)用一台Nd：YAG激光器泵浦的第一台染料激光照射原子束，并调谐它的波长使原子由基态ms2 1S0跃迁到msmp1P1态；其中对于镁，钙，锶，钡金属原子而言，m值分别取3，4，5，6(以下都是如此)；
(3)用同一台Nd：YAG激光器泵浦的第二台染料激光照射原子束，并在750-420nm之间扫描它的波长，将原子由msmp 1P1态分别激发到msnlRydberg态，其中：n＝7-50，l＝0或2，制备出处于相应原子态的高激发原子的样品；
(4)用同一台Nd:YAG激光器泵浦的第三台染料激光器照射原子束，将原子从msnl态进一步共振激发到mp3/2nl自电离态或mp1/2nl自电离态；
(5)用一个电场强度为200V/cm的脉冲电场收集经自电离过程所产生的离子，并把离子导入到一只增益为106的微通道板(MCP)探测器内进行接收和放大；
(6)探测器的输出信号分别输入到一台示波器和一台Boxcar平均积分器中。前者用于观测信号大小和位置，后者将10-20个脉冲信号取样平均，再经过模数转换后，输入到计算机中进行实时显示和分析处理。
本发明的有益效果：本发明是一种适合于高激发原子的非常有效的探测手段。因为它同时克服了电场电离探测方法和光电离探测方法的缺陷，因而无论对高或低Rydberg原子均有很高的探测效率。自电离探测方式与其它的常规探测方法相比，具有明显的优点。该探测方法适用于所有的碱土金属原子。
本发明利用共振电离的手段来探测处于高激发态的原子。它通过三步共振激发，使原子到达mpnl自电离态，其激发截面可达10-14cm2。处于自电离态的原子通过两个受到激发的价电子间的碰撞和能量交换而迅速衰变为离子，从而实现对原子的探测，以获取微观世界的信息。
【附图说明】
图1是钡原子6p1/217d自电离态的光谱；
图2是多个6p1/2ns自电离态的光谱；
图3是用两种不同光电离探测方式获得的Ba原子Rydberg态光谱；
图4是用自电离探测方法探测到的Rydberg态光谱。
【具体实施方式】
本发明使用的设备包括：用于泵浦染料激光器的Nd:YAG脉冲激光器，波长可调谐并稳定在原子吸收峰上的三台可调谐染料激光器，可以准确控温的原子加热真空炉一台，可产生准直度很高的原子束系统，对带电粒子响应快、灵敏度高的微通道板探测器一套，能够对光脉冲和电脉冲的时间顺序和延迟精确控制的光学延迟器和电学脉冲延迟器各一台，对脉冲信号能进行积分和平均的平均积分仪一台，一套对所有电光器件进行控制和扫描并能实现数据通讯的计算机数据采集和分析系统。
本发明涉及的技术包括：激光调试技术、激光的倍频与和频技术、原子蒸气的成束技术、原子的孤立实激发技术、高激发原子的样品制备技术、光脉冲和电脉冲的时间顺序和延迟的精确控制技术、光束合成和准直技术、提高微通道板探测器的信噪比的控制技术等。
本发明利用的原子自电离光谱：若不采用孤立实激发技术，原子的自电离光谱呈现非对称的Fano线形，其峰值位置和宽度难以确定。若采用孤立实激发技术，避免了原子的两个价电子之间的激发干涉现象，使原子的自电离光谱呈现出对称的Lorentz线形，其峰值位置和宽度容易确定，从而便于第三步激发光波长的定位，当激发效率达到最大时，对应于原子探测的效率最高。
本发明的激发技术为多步孤立实激发技术：调谐第一台激光的波长使原子由基态ms2 1S0跃迁到msmp 1P1态，然后用第二台染料激光器将原子由msmp 1P1态激发到msnl(l＝0，2)Rydberg态，其中n＝7-50，对应的激光波长在750-420nm之间。由于nl电子处在大轨道上，它与仍处于小轨道上的ms实电子相距很远，所以实际上已经把原子实孤立了起来。用第三台染料激光器将原子进一步共振激发到mp3/2nl或mp1/2nl自电离态上。这两种不同的自电离态提供了两种等效的激发方案，对于钡原子，对应的第三台激光的波长为两个范围：455-457nm或493-495nm。孤立实激发技术是高激发原子的高效率探测技术的基础，对于整体的探测效率起重要作用。
本发明中高激发原子样品的制备：需要准确控制加热坩埚的温度，将高纯度(99.5％以上)的金属在高真空(真空度为10-4Pa)环境中加热到580-630摄氏度，使金属蒸气从坩埚侧面的直径为2mm的小孔喷射出来。经过两个光阑的准直使金属蒸气成为准直度很高(平行度介于8-12度之间)的原子束。第一台激光器与第二台激光器的光束相平行，从真空室的前窗口入射；第三台激光器的光束与它们反平行并从后面的窗口入射；三个光束在同一直线上，并于原子束方向相垂直。控制原子束与三束激光束正交是为了基本消除Doppler加宽效应，保证对原子高激发态的高分辨率探测。当原子束受到前二束激光的依次照射后，便制备出了高激发原子的样品。
本发明利用的原子的自电离探测
用第三台染料激光器将制备好的处于msnl态的高激发原子进一步共振激发到mp3/2nl或mp1/2nl自电离态上。原子将通过自电离迅速变为离子，从而被微通道板探测器所探测。原子通过上述两种不同的自电离态都能实现高效率的电离，因而提供了两种等效的激发方案。对应这两种激发方案，第三台激光的波长可在两个范围内取值。对于钡原子而言，它们是：455-457nm或493-495nm。
本发明中三台激光脉冲的时间延迟控制：精确控制三台激光脉冲的时间顺序是确保将原子依次激发到指定的原子态上。相关的技术参数为：第二台激光的光脉冲相对于第一台激光的光脉冲延迟8ns，第三台激光的光脉冲相对于第二台激光的光脉冲延迟10ns。此延迟可用快速光电二极管和宽带数字存储示波器予以监控，以便将探测效率维持在最佳水平。
本发明中收集电场的脉冲相对于激光脉冲的时间延迟控制：原子通过自电离而衰变为离子后，用脉冲电场对带电粒子进行收集。该脉冲电场必须在光脉冲完全消失后才能施加，以避免对原子的高激发态产生Stark效应。具体作法是用Nd:YAG泵浦激光的脉冲信号输出同步触发脉冲电源，并使电脉冲相对于光脉冲延迟500ns。
本发明将自电离光谱的研究转化为一种具有极高的灵敏度和分辨率的光谱探测方法。自电离态是原子中的两个电子同时受到激发时所产生一种处于原子电离阈之上的嵌于连续态之中的准束缚态。由于其电离速率和效率都很高，所以自电离光谱的研究引起了本研究领域的高度关注。本发明经过对多种碱土和稀土金属原子自电离光谱的实验，证明了该探测方法的效果。探测的具体方法包括：
(1)在真空度为10-4Pa的真空环境中，通过电阻的焦耳热方法将置于坩埚中的高纯度金属(99.5％)加热到580-630摄氏度的温度，原子气体通过坩埚上面的直径为2mm的小孔中喷射出来，经过两个孔径为1cm，相距为10cm的光阑准直而进入作用区域，此时的原子数密度约为109cm-3。
(2)用一台Nd:YAG激光器泵浦第一台染料激光器来激发处于基态ms2 1S0的原子到达msmp 1P1态。
(3)用同一台Nd:YAG激光器泵浦第二台染料激光器并将原子进一步激发至待测的msnl(l＝0，2)激发态上，从而制备出处于多种对应原子态的高激发原子的样品。当n＝7-50时，对应的激光波长在750-420nm之间。实验中，需要更换多种不同的激光染料才能完全覆盖如此宽的扫描波段，例如：利用Stilbene 3染料可以覆盖415-445nm波段；Coumarin460染料可以覆盖446-478nm波段。
(4)用同一台Nd:YAG激光器泵浦第三台染料激光器来作为探测光，将原子由msnl(l＝0，2)Rydberg态进一步共振激发到mpjnl(l＝0，2和j＝3/2，1/2)自电离态上并迅速电离，从而构成了高效率的自电离探测方法。对于钡原子而言，激光器的波长可在455-457nm和493-495nm这两个范围内设置，分别对应于6pjnl中的j＝3/2，1/2自电离态，这两种波长的选择所产生的探测效果相同。
(5)当第一步和第三步激光的波长分别固定在上述的波长时，扫描第二步激光的波长，将金属原子分别布局到不同的msnl(l＝0，2)Rydberg态上面。三台激光对原子的依次激发共同完成了ms2—msmp—msnl—mpjnl的三步孤立实激发过程，从而实现了探测处于msnl态上的高激发原子的目的。
(6)控制原子束的方向与三束激光束的方向正交，并使原子束受到三束激光的依次照射，即第二台激光器的光脉冲相对于第一台激光器的光脉冲延迟8ns，第三台激光器的光脉冲相对于第二台激光器的光脉冲延迟10ns。
(7)在所有激光脉冲完全结束后，通过位于原子与光子相互作用区域的两块平行金属板施加200V的脉冲电场便可收集由自电离过程所产生的离子，使其加速并到达探测器。用Nd:YAG泵浦激光的脉冲信号输出来同步触发脉冲电源，并使电脉冲相对于光脉冲延迟500ns。
(8)利用一个与激光束和原子束方向都垂直的微通道板(MCP)探测器接收和放大离子信号。探测器的有效口径为2.5cm。用一台直流电源驱动探测器，当工作电压为1.7kV，收集电压为300V时，其增益约为106。
(9)由探测器所输出的信号仍为脉冲形式，需经Boxcar取样平均后变为直流模拟信号。经过模数转换得到的数字信号输入到计算机进行实时显示和分析处理。
此探测方法适用于所有的碱土金属原子。但是，对于不同的原子三束激光的波长选择应该不同。比如：对于镁原子，m＝3。三步激发过程为：3s2—3s3p—3snl—3pjnl，对应的三个激光的波长分别为285.3nm、395-420nm和280-285nm；对于钙原子，m＝4。三步激发过程为：4s2—4s4p—4snl—4pjnl，对应的三个激光的波长分别为423.7nm、390-550nm和390-410nm；对于锶原子，m＝5。三步激发过程为：5s2—5s5p—5snl—5pjnl，对应的三个激光的波长分别为460.9nm、400-620nm和420-455nm；对于钡原子，m＝6。三步激发过程为：6s2—6s6p—6snl—6pjnl，对应的三个激光的波长分别为553.9nm、420-750nm和455-495nm。
这里仅以钡原子的研究结果为例，具体说明该探测方法的原理和方法。
实例1：探测处于6s17d态的钡原子。
图1给出了本发明中测量的钡原子6p1/217d自电离态的光谱。由图1可知该自电离态的共振峰值位于波长493.7nm附近。所以，当探测处于6snd高激发态上的原子时，只需要把第三步激光的波长固定在493.7nm附近，便可以获得最高的探测效率。
实例2：探测处于多个6sns态的钡原子。
图2给出了本发明所测量的多个6p1/2ns自电离态的光谱，其中n＝10-20。所以，只要把第三步激光的光子能量固定为20250cm-1(波长为493.7nm)附近，便可用最高的探测效率探测到处于许多个6sns态的钡原子，其中n＝10-20。
值得指出的是，通常自电离态具有较大的宽度，且随n的减小而增大。因此在探测Rydberg原子时，只需将第三步激发光的波长固定在上述波长的附近，即可使所有处于6snl态上的原子都获得较好的探测效果，从而克服了常规的直接光电离探测方式中探测效率对激光波长高度敏感的缺点。总之，本发明既高效又使用简便。
实例3：用自电离探测和直接光电离探测的效果比较。
图3(a)和3(b)分别给出了自电离探测和直接光电离探测所得到的Ba原子Rydberg光谱。实验发现，当采用直接光电离时，所需的激光强度为采用自电离探测时的几十倍。另一方面，从图3中可以看出，直接光电离的探测效率随Rydberg态的能量增高而迅速减小。当n>30时，直接光电离探测已基本失效。而用自电离技术进行探测时，对所有的态都能给出高效率的探测。特别是对于那些处于n值较高(n>20)态上的原子，自电离探测具有更明显的优势。根据如上分析，用自电离探测方法来探测原子的高激发态的效率远比直接光电离探测要高得多。
实例4：探测处于6snl(l＝0，2)态的钡原子。
本发明和电场电离探测相比也具有明显的优势。其主要表现在较低激发态的探测上。若采用电场电离探测方法，则不适合探测较低的Rydberg原子。电场电离原子的阈值为F∝n-4×109(V/cm)。所以，欲探测处于很低Rydberg态上的原子，就必须大幅提高电场强度。如图4所示，用自电离探测最低可测得6s8s态。该态的场电离阈约为100kV/cm的电场强度，如此高的电场强度在实验条件下是很难实现的。

Claims (9)

1、一种碱土金属原子的高效率探测方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)通过电阻的焦耳热方法将置于坩埚中的高纯度的碱土金属在真空环境中加热到580-630摄氏度，使金属蒸气从坩埚的直径为1-2mm的小孔喷射出，经过两个光阑的准直使金属蒸气成为平行度在8-12度之间的原子束；
(2)用一台Nd:YAG激光器泵浦的第一台染料激光器照射原子束，并调谐第一台染料激光器的波长使原子由基态ms21S0跃迁到msmp1P1态；
(3)用同一台Nd:YAG激光器泵浦的第二台染料激光器照射原子束，并在750-420nm之间扫描第二台染料激光器的波长，将原子由msmp1P1态分别激发到msnl里德堡态，其中：n＝7-50，l＝0或2，制备出处于相应原子态的高激发原子的样品；
(4)用同一台Nd:YAG激光器泵浦的第三台染料激光器照射原子束，将原子从msnl态进一步共振激发到mp3/2nl自电离态或mp1/2nl自电离态；
(5)用一个电场强度为200V/cm的脉冲电场收集经自电离过程所产生的离子，并把离子导入到一只增益为106的微通道板探测器内进行接收和放大；
(6)微通道板探测器的输出信号分别输入到一台示波器和一台Boxcar平均积分器中；前者用于观测信号大小和位置，后者将10-20个脉冲信号取样平均，再经过模数转换后，输入到计算机中进行实时显示和分析处理。
2、根据权利要求1所述的碱土金属原子的高效率探测方法，其特征在于所说的步骤(1)中的真空环境的真空度为10-4Pa。
3、根据权利要求1或2所述的碱土金属原子的高效率探测方法，其特征在于所说的步骤(1)中两个光阑的孔径为1cm，相距为10cm。
4、根据权利要求1所述的碱土金属原子的高效率探测方法，其特征在于所说的步骤(2)、(3)和(4)中，第二台染料激光器的激光脉冲相对于第一台染料激光器的激光脉冲延迟8ns，第三台染料激光器的激光脉冲相对于第二台染料激光器的激光脉冲延迟10ns。
5、根据权利要求1所述的碱土金属原子的高效率探测方法，其特征在于所说的步骤(2)、(3)和(4)中，第一台染料激光器与第二台染料激光器的光束相平行，从真空室的前窗口入射；第三台染料激光器的光束从真空室后面的窗口入射；三个光束在同一直线上，并与原子束方向相垂直。
6、根据权利要求1所述的碱土金属原子的高效率探测方法，其特征在于所说的步骤(2)、(3)和(4)中，所述Nd:YAG激光器的波长为532nm的二倍频输出泵浦第一台染料激光器，所述Nd:YAG激光器的波长为355nm的三倍频输出泵浦第二台和第三台染料激光器。
7、根据权利要求1或6所述的碱土金属原子的高效率探测方法，其特征在于所说的步骤(4)中，第三台染料激光器的波长范围是：455-457nm或493-495nm。
8、根据权利要求1所述的碱土金属原子的高效率探测方法，其特征在于所说的步骤(5)中，施加的脉冲电场将离子导入到方向与激光束和原子束都垂直的所述微通道板探测器内；所述微通道板探测器的探测面直径为2.5cm，当工作电压为1.7Kv，收集电压为300V时，增益约为106。
9、根据权利要求1或8所述的碱土金属原子的高效率探测方法，其特征在于所说的步骤(5)和(6)中，用Nd:YAG激光器的Q开关的脉冲输出来同步触发示波器、Boxcar平均积分器和脉冲电源，并使脉冲电场相对于激光脉冲延迟500ns。
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