CN103760135A - V型能级结构原子的速度转移激光光谱测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种V型能级结构原子的速度转移激光光谱测量装置和方法，该装置的第一激光器发出的激光经过第一二向色镜时分为两束，一束依次透射过第一二向色镜和第二二向色镜，最后到达第一光电探测器；另一束由第一二向色镜反射产生再经过全反射镜反射后到达第二光电探测器；所述的第二激光器发出的激光经过第二二向色镜反射后沿着第一激光器发出激光的光路到达第一二向色镜；在全反射镜射向第二光电探测器的光路上设置自然态的被测原子样品，在第一二向色镜、第二二向色镜之间的光路上设置纯同位素的被测原子样品。本发明测出的光谱具有亚多普勒的特征，吸收谱中无交叉峰，能将高、低激发态原子谱同时测量出来。

Description

V型能级结构原子的速度转移激光光谱测量装置及方法

技术领域

本发明属于激光光谱和激光稳频技术领域，涉及一种V型能级结构原子的速度转移激光光谱测量实现方法，可应用于多波长激光稳频。

背景技术

目前的激光光谱和激光稳频技术领域，常用原子饱和吸收激光光谱、原子偏振极化谱、塞曼外磁场调制谱等技术和实现方法进行原子能级结构的高精密测量、激光稳频等应用。具体就是利用光电探测器收集到原子、分子或离子等各种介质与激光相应的量子跃迁能级间对外界激光相应的波长的吸收谱信号，记录数据得到。

在激光频率稳定和锁定的应用上，将测量到的误差电信号，通过电放大和滤波，驱动激光器电子线路的频率控制反馈单元。所述频率控制反馈单元主要包括激光器的电流源、控制激光腔长的压电陶瓷电压。

对于V型能级结构的原子，一般都是利用多普勒谱或饱和吸收谱来实现谱的测量，这样的技术对于振子强度很低的能级信号非常微弱，直接测量的信噪比往往较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述现有技术中利用多普勒谱或饱和吸收谱测量V型能级结构原子的激光光谱信噪比太低，提供一种V型能级结构原子的速度转移激光光谱测量装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种V型能级结构原子的速度转移激光光谱测量装置，包括有第一激光器、第二激光器，第一二向色镜、第二二向色镜、第一光电探测器、第二光电探测器和一个全反射镜；所述的第一激光器发出的激光经过第一二向色镜时分为两束，一束依次透射过第一二向色镜和第二二向色镜，最后到达第一光电探测器；另一束由第一二向色镜反射产生再经过全反射镜反射后到达第二光电探测器；所述的第二激光器发出的激光经过第二二向色镜反射后沿着第一激光器发出激光的光路到达第一二向色镜；在全反射镜射向第二光电探测器的光路上设置自然态的被测原子样品，在第一二向色镜、第二二向色镜之间的光路上设置纯同位素的被测原子样品。

作为优选方案：所述的第一激光器为780nm外腔半导体激光器，功率为20uW，所述的第二激光器为420nm外腔半导体激光器，功率为8mW，所述的第一激光器、第二激光器光束直径为2mm，线宽小于1MHz，连续调谐大于10GHz；所述的第一二向色镜、第二二向色镜均为HT780nm，HR420nm型二向色镜。

作为优选方案：所述的自然态的被测原子样品为包含自然成分⁸⁵Rb和⁸⁷Rb的铷原子蒸汽泡；所述的纯同位素的被测原子样品为仅包含纯⁸⁷Rb的铷原子蒸汽泡。

本发明还提供一种采用上述装置测量V型能级结构原子的速度转移激光光谱的方法，包括以下步骤：

①第二激光器发出激光与纯同位素的被测原子样品高激发态弱振子强度跃迁线频率对应，搭建成传统饱和吸收谱的空间架构；

②第一激光器发出激光与纯同位素的被测原子样品中低激发态跃迁线频率对应，第一激光器发出的激光经过第一二向色镜时分为两束，一束经全反射镜反射到自然态的被测原子样品中，与自然态的被测原子样品相互作用后被第二光电探测器接收，接收到的吸收谱用作频率标定；另一束作为探测光，经第一二向色镜透射，经过纯同位素的被测原子样品时，与反向射来的第二激光器的泵浦激光共同与纯同位素的被测原子样品相互作用，穿过第二二向色镜，被第一光电探测器接收。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用了两个不同波长激光器分别与V型能级结构的原子高激发态弱振子强度跃迁线、以及低激发态跃迁线频率对应，激发高激发态的激光其频率稳定可调，但不需要饱和谱那样扫频。与低激发态对应激光用作探测光，通过原子样品后由光电探测器记录数据。

本发明所实现的原子速度转移激光光谱测量具有亚多普勒的特征，而且可以消除传统饱和吸收谱中的多余交叉峰，并且能够将低激发态和高激发态原子谱同时测量出来。

基于本发明的V型能级结构原子、分子、离子能级跃迁的速度转移激光谱非常有特色，与已有的各种光谱技术都不同，可以应用于多波长激光稳频，具有重要的应用价值。

本发明适用于铷原子、铯原子等碱金属原子等对应的基态与第一、第二激发态之间的跃迁能级来实现V型能级结构原子的速度转移激光光谱，也适用于碱土金属钙、锶等原子来实现。

附图说明

图1是本发明V型能级结构原子的速度转移激光光谱测量装置的结构示意图。

图2是应用本发明实施例的V型能级结构原子的速度转移激光光谱实施效果示意图。

图1中：1、第一激光器；2、第一二向色镜；3、纯⁸⁷Rb的铷原子蒸汽泡；4、第二二向色镜；5、第二激光器；6、第一光电探测器；7、全反射镜；8、包含自然成分⁸⁵Rb和⁸⁷Rb的铷原子蒸汽泡；9、第二光电探测器。

具体实施方式

下面通过结合附图，对本发明的实施方式作进一步说明。

实施例1

图1所示，本实施例所述的一种V型能级结构原子的速度转移激光光谱测量装置，包括有第一激光器1、第二激光器5，第一二向色镜2、第二二向色镜4、第一光电探测器6、第二光电探测器9和一个全反射镜7；所述的第一激光器发出的激光经过第一二向色镜时分为两束，一束依次透射过第一二向色镜和第二二向色镜，最后到达第一光电探测器；另一束由第一二向色镜反射产生再经过全反射镜反射后到达第二光电探测器；所述的第二激光器发出的激光经过第二二向色镜反射后沿着第一激光器发出激光的光路到达第一二向色镜；在全反射镜射向第二光电探测器的光路上设置包含自然成分⁸⁵Rb和⁸⁷Rb的铷原子蒸汽泡8，在第一二向色镜、第二二向色镜之间的光路上设置仅包含纯⁸⁷Rb的铷原子蒸汽泡3。所述的第一二向色镜、第二二向色镜与第一激光器发出激光呈45度夹角，第二二向色镜与第二激光器发出激光呈45度夹角。

所述的第一激光器为780nm外腔半导体激光器，功率为20uW，所述的第二激光器为420nm外腔半导体激光器，功率为8mW，所述的第一激光器、第二激光器光束直径为2mm，线宽小于1MHz，连续调谐大于10GHz；所述的第一二向色镜、第二二向色镜均为HT780nm，HR420nm型二向色镜，即对第一激光器发出的780nm波长的激光具有高透射性，对第二激光器发出的420nm波长的激光具有高反射性。

上述两个激光器带各自驱动电流、温度控制、压电扫描控制电路，以及用于检测的探测器等。

所述的第二激光器5作为泵浦光源，将频率锁定在5²S_1/2，F=3→6²P_3/2，F’=3；第一激光器1作为探测光源和频率参考。第一激光器发出的780nm激光经二向色镜分成两束，一束经全反射镜7反射到包含自然成分⁸⁵Rb和⁸⁷Rb的铷原子蒸汽泡8中，与铷原子相互作用后被第二光电探测器9接收，接收到的吸收谱用作频率标定；另一束作为探测光经第一二向色镜2透射，经过纯⁸⁷Rb的铷原子蒸汽泡时，与反向射来的第二激光器发出的420nm泵浦激光共同与⁸⁷Rb原子相互作用，穿过第二二向色镜4，被第一光电探测器6接收。

所述包含自然成分⁸⁵Rb和⁸⁷Rb的铷原子蒸汽泡8，以及纯⁸⁷Rb的铷原子蒸汽泡3铷原子泡的长度均为5cm，直径2.5cm。

图2为V型能级结构原子的速度转移激光光谱实施效果图。其中横坐标是对应的测量激光频率，纵坐标是测量激光透射率；图2的（a）部表示420nm泵浦光的频率锁定在5²S_1/2，F=3→6²P_3/2，F’=3的跃迁线上，铷泡中在激光传输方向上速度分量为零的原子就被布居到6²P_3/2，F’=3态上。与此同时，考虑多普勒效应的影响，根据公式γ=γ₀（1-v/c），速度分量为8.7和16.7m/s的原子也被泵浦到激发态6²P_3/2上。然而，这些速度分量的原子对于780nm探测光来说，根据多普勒效应γ=γ₀（1-v/c），理论计算得失谐量为11.2和21.3MHz，实验上探测值为11.5和21.1MHz。同时，780nm探测光本身对铷原子的泵浦作用，表现在图上有5²P_3/2三个超精细能级。因此，两个激发态之间的超精细光谱相对位置同时出现在光电探测器探测到的信号中，且无多余交叉峰。本发明可以同时测量两个不同频率能级的光谱，可以用于不同波长激光同时锁频。

图2的（b）部表示780nm激光的饱和吸收谱作为参考光，用作频率标定。

必须注意，上述的V型能级结构原子的速度转移激光光谱测量方法与传统的饱和吸收谱具有本质的区别，因为传统的饱和吸收谱对于弱振子强度跃迁信号很弱，在多普勒展宽频率范围内会出现多余的交叉谱线，在具体的激光稳频应用上反而不利。本发明的特色是，在V型能级结构原子上实现速度转移激光光谱测量，将弱振子强度跃迁的谱信息通过原子的速度转移效应，在高振子强度的低激发态的激光谱上显示出来。并且，这样的谱线同时包含V型能级结构原子的弱振子强度跃迁的谱与高振子强度的低发态谱，又没有多余的交叉线。

因此，非常明确，本发明中所述的速度转移激光光谱技术在原子谱线的精密测量和激光稳频应用上具有很好的前景。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：将所述的包含自然成分⁸⁵Rb和⁸⁷Rb的铷原子蒸汽泡8替换为仅包含⁸⁵Rb或⁸⁷Rb的铷原子蒸汽泡，同样能实现频率标定的功能。

上述具体的发明实施例仅是为了说明本发明的基本工作原理，而非用于限制本发明的范围。本领域普通技术人员应当理解，对本发明技术方案进行修改或同等替换，并不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神与范围。

Claims (5)

1.一种V型能级结构原子的速度转移激光光谱测量装置，其特征在于：包括有第一激光器、第二激光器，第一二向色镜、第二二向色镜、第一光电探测器、第二光电探测器和一个全反射镜；所述的第一激光器发出的激光经过第一二向色镜时分为两束，一束依次透射过第一二向色镜和第二二向色镜，最后到达第一光电探测器；另一束由第一二向色镜反射产生再经过全反射镜反射后到达第二光电探测器；所述的第二激光器发出的激光经过第二二向色镜反射后沿着第一激光器发出激光的光路到达第一二向色镜；在全反射镜射向第二光电探测器的光路上设置自然态的被测原子样品，在第一二向色镜、第二二向色镜之间的光路上设置纯同位素的被测原子样品。

2.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的自然态的被测原子样品替换为纯同位素的被测原子样品。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的第一激光器为780nm外腔半导体激光器，功率为20uW，所述的第二激光器为420nm外腔半导体激光器，功率为8mW，所述的第一激光器、第二激光器光束直径为2mm，线宽小于1MHz，连续调谐大于10GHz；所述的第一二向色镜、第二二向色镜均为HT780nm，HR420nm型二向色镜。

4.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于：所述的自然态的被测原子样品为包含自然成分⁸⁵Rb和⁸⁷Rb的铷原子蒸汽泡；所述的纯同位素的被测原子样品为仅包含纯⁸⁷Rb的铷原子蒸汽泡。

5.一种采用权利要求1所述装置测量V型能级结构原子的速度转移激光光谱的方法，其特征在于包括以下步骤：

①第二激光器发出激光与纯同位素的被测原子样品高激发态弱振子强度跃迁线频率对应，搭建成传统饱和吸收谱的空间架构；

②第一激光器发出激光与纯同位素的被测原子样品中低激发态跃迁线频率对应，第一激光器发出的激光经过第一二向色镜时分为两束，一束经全反射镜反射到自然态的被测原子样品中，与自然态的被测原子样品相互作用后被第二光电探测器接收，接收到的吸收谱用作频率标定；另一束作为探测光，经第一二向色镜透射，经过纯同位素的被测原子样品时，与反向射来的第二激光器的泵浦激光共同与纯同位素的被测原子样品相互作用，穿过第二二向色镜，被第一光电探测器接收。

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