CN106602400A - 铯混合氦原子的无极灯及其用于铯激发态光谱的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铯混合氦原子的无极灯，包括：充有铯原子混合氦原子的气室；射频耦合线圈，所述射频耦合线圈均匀缠绕在气室外壁，用于在气室中产生射频场；射频功放模块，与所述射频耦合线圈连接，用于提供激励氦原子在第一激发态到基态之间跃迁谱线产生荧光的射频功率；屏蔽盒，屏蔽盒的两端设有通光孔，所述气室设置在屏蔽盒中，气室的端面对准屏蔽盒的通光孔；所述气室采用高透光材料制成，气室除端面外的外侧壁上设有对氦原子在第一激发态到基态之间跃迁谱线所发荧光高反射的涂层。本发明还涉及铯混合氦原子无极灯用于铯激发态光谱的方法。本发明具有结构简单、成本低、效率高的优点。

Description

铯混合氦原子的无极灯及其用于铯激发态光谱的方法
技术领域
本发明涉及光谱技术和光学器件技术领域，尤其涉及一种铯混合氦原子的无极灯及其用于铯激发态光谱方法。
背景技术
碱金属铯原子在精密激光光谱、冷原子物理、原子干涉仪、原子钟、磁力仪、原子陀螺仪、原子滤光器等多种领域具有非常广泛的应用。铯金属的熔点很低，只有 28.4°C，可以封装在很简单便宜的玻璃气室中，得到足够的蒸汽压，直接用于上述各领域。铯原子的另一个优点是，其基态到第一激发态6P态的852nm、894nm 和基态到第二激发态7P态的456nm、459nm对应的跃迁波长都有半导体激光可以直接应用。
然而，对于铯原子基态到第三激发态8P态的387.615nm、388.861nm，没有对应的半导体激光可以利用，极大地限制了铯原子的拓展应用。为此，现有技术中公开可以用氦原子无极灯发射出来的388.865nm荧光作为独立的光源，来激发另一个独立的铯玻璃气室中的铯原子。现有技术中用作独立光源激发氦原子的氦原子无极灯体积较大，长度接近1米，氦原子无极灯和铯玻璃气室相互独立，结构繁杂庞大，效率低下。这种做法，由于两者总有较大空间距离，相对铯而言，氦原子无极灯的荧光过于发散，效率极其低下这种方法主要存在两方面的技术困难：第一点技术困难是，长度近1米的氦原子无极灯与被泵浦的独立铯原子玻璃泡，其间距在几个厘米左右，相对于原子之间的微米间距，属于一个宏观量，相差四个数量级；第二点技术困难是，长度近1米的氦原子无极灯与被泵浦的独立铯原子玻璃泡间距在几个厘米左右时，氦原子发出的388.865nm荧光作用到铯泡正中心毫米大小有效区时，效率仅有千分之几。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低、效率高的铯氦混杂型的铯混合氦原子无极灯，同时提供一种铯混合氦原子的无极灯用于铯激发态光谱方法。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
铯混合氦原子无极灯，包括：充有铯原子混合氦原子的气室；射频耦合线圈，所述射频耦合线圈均匀缠绕在气室外壁，用于在气室中产生射频场；射频功放模块，与所述射频耦合线圈连接，用于提供激励氦原子在第一激发态到基态之间跃迁谱线产生荧光的射频功率；屏蔽盒，屏蔽盒的两端设有通光孔，所述气室设置在屏蔽盒中，气室的端面对准屏蔽盒的通光孔；所述气室采用高透光材料制成，气室除端面外的外侧壁上设有对氦原子在第一激发态到基态之间跃迁谱线所发荧光高反射的涂层。
作为优选技术方案，所述气室为圆柱形的玻璃气室，气室的长度为4cm～6cm，气室的直径为1cm～3cm。
作为优选技术方案，射频功放模块提供给玻璃气室的射频功率为32MHz。
作为优选技术方案，直流稳压电源为射频功放模块供电，所述电源电压的调节范围在3V-10V。
铯混合氦原子无极灯用于铯激发态光谱的方法，包括如上任一项所述的铯混合氦原子无极灯，所述铯混合氦原子无极灯通过射频功放模块激励使氦原子跃迁产生荧光，所述荧光与铯原子从基态到第三激发态的跃迁波长对应并直接把气室中的铯原子激发到激发态。
上述结构的铯混合氦原子的无极灯，直接将碱金属铯原子混合填充到氦原子无极灯的气室中，形成了一个铯氦掺杂型的，铯混合氦原子无极灯，具有以下优点：第一，空间结构上极大地简化并合成泵浦氦灯和被激发铯原子泡一体化的高泵浦效率新构型；第二，由于铯和氦两种原子以气体的形式直接、充分地混杂，使发光氦原子距离激发铯原子之间距离小到微米量级，比起已有的六十年代技术，发光氦原子距离激发铯原子之间距离缩小四个数量级； 第三，在室温条件下，使得氦原子无极灯在射频激励下氦原子发射的388.865nm荧光，可以非常充分有效地被氦原子周边微米量级三维4立体角范围内的高密度铯原子所吸收，这比已有技术在泵浦效率上又提高了两到三个数量级；第四，由于铯混合氦原子无极灯的侧面外壁涂上对388.865nm荧光高反射的涂层，有可能侧漏的388.865nm荧光被反射会灯泡内得到加强利用。
上述优点保证了在室温条件下氦原子发射的388.865nm荧光高效地激发铯原子从基态到8P激发态，通过自发辐射使得比8P能级低的所有态上都有布居，从而可用于铯原子与5D、6D、6P、7P、7S、8S等相关激发态相联系的激光光谱，让铯原子在激发态激光精密谱、原子光钟、原子磁力仪等领域拓展到更多波长范围得到进一步应用，且本发明的结构简单，相对于现有技术的成本低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的氦无极灯荧光光谱示意图。
图3为氦原子389nm波长跃迁的相关能级结构与波长示意图。
图4为铯原子基态到8P激发态跃迁的相关能级结构与波长示意图。
其中：1、屏蔽盒，2、射频耦合线圈，3、气室，4、射频功放模块，5、输入端连接线，6、输出端连接线。
具体实施方式
下面结合附图对本专利的优选实施方案作进一步详细的说明。
如图1所示的铯混合氦原子的无极灯，包括：充有铯原子混合氦原子的气室3；射频耦合线圈2，所述射频耦合线圈2均匀缠绕在气室3外壁，用于在气室中产生射频场；射频功放模块4，与所述射频耦合线圈2连接，用于提供激励氦原子在第一激发态到基态之间跃迁谱线产生荧光的射频功率；屏蔽盒1，屏蔽盒1的两端设有通光孔，所述气室3设置在屏蔽盒1中，气室3的端面对准屏蔽盒的通光孔；所述气室3采用高透光材料制成，气室3除端面外的外侧壁上设有对氦原子在第一激发态到基态之间跃迁谱线所发荧光高反射的涂层。
本实施例选用长度在4cm～6cm之间，直径在1cm～3cm之间的圆柱形玻璃气室，优选为气室的长度为5cm，气室的直径为2cm。
铯混合氦原子的无极灯的使用步骤包括：步骤101，把铯原子填充到氦无极灯玻璃气室3中，并在玻璃气室外壁缠绕好射频耦合线圈2，线圈的缠绕匝数与射频功放模块相匹配，满足氦原子发射389nm荧光的条件；步骤102，调试射频功放模块4确保提供的射频功率使氦原子发射荧光；步骤103，射频功放模块4和射频耦合线圈2之间通过输入端连接线5和输出端连接线6连接，在安装时两个连接线不能交叉，并将射频功放模块4与直流稳压电源连接；步骤104，将玻璃气室固定在屏蔽盒内，并使气室3端面正对屏蔽盒1的通光孔；步骤105，开启直流稳压电源并调节合适的工作电压，工作电压的大小应根据所需的荧光强度进行设置。用其中直流稳压电源给射频功放模块4供电工作电压范围为3-10V，根据荧光强度大小确定合适的电压大小。
铯混合氦原子无极灯用于铯激发态光谱的方法，包括如上所述的铯混合氦原子无极灯，所述铯混合氦原子无极灯通过射频功放模块激励使氦原子跃迁产生荧光，如图2和图3所示，氦原子发射出的388.865nm的荧光对应铯原子从基态到第三激发态8P态的波长，直接把气室中的铯原子激发到激发态。氦原子气体被特定的射频功率激发，形成氦原子和带有高能量的氦离子的混合物，这些高能量的电子和离子与氦原子碰撞，产生更多的电子和离子，同时把氦原子从基态激发到激发态，由于自发辐射发出荧光。因为氦无极荧光光谱包含389nm跃迁谱线，其正好对应铯原子基态到8P激发态能级跃迁，将铯原子直接填充到氦无极灯原子气室中，由于氦原子和铯原子间距只有微米量级，因此氦原子发射的389nm荧光可以有效地被利用来把铯原子激发到8P激发态上，再通过自发辐射通道，从而铯原子5D、6D、6P、7P、7S、8S等相关激发态都会因自发辐射而有原子布居。
本发明利用了铯混合氦原子无极灯的方法，直接把铯原子填充到氦原子气室中，拉近铯原子和氦原子的间距，同时，由于铯混合氦原子无极灯的侧面外壁涂上对388.865nm荧光高反射的涂层，有可能侧漏的388.865nm荧光被反射会灯泡内得到加强利用。上述铯混合氦原子无极灯的结构简单，实现了省去传统研究铯激发态光谱时用激光器做泵浦源的目的。大大降低了系统的成本和复杂度。从而可以为研究铯原子在激发态精密谱等相关研究工作提供便利和节约成本。同时功耗低且易于整个过程不需要温度控制，室温条件下即可工作。
需要说明的是：现有技术中的碱金属铷无极灯等或者铯无极灯里，经常掺杂一定比例的氦气作为缓冲气体。这与本发明有本质不同，区别在于：一，例如铯原子无极灯即使冲了氦作为缓冲气体，必须将泡加热到120摄氏度甚至以上并且让射频激励铯原子发光，而本发明中是氦灯掺铯，铯没有被射频激励发光并且必须确保铯没有被射频激励发光；二，对于泡的温度条件，铯原子无极灯必须将泡加热到120摄氏度甚至以上并且让射频激励铯原子发光，在室温条件铯原子无极灯不能工作，而本发明中是氦无极灯掺铯，工作于室温条件下，不需要加热也不发热，是一种冷灯；三，对于铯原子无极灯，一旦启动，铯原子自己已经被射频电激发到许多高激发态，不同激发态的布居满足热分布，因此不能也没有形成态之间布居数反转，而本发明的目标则是铯原子由于氦原子发射的388.865nm荧光仅仅从基态泵浦到8P激发态，可以形成态间布居数反转，如8P与7S态间布居数反转，得到态间布居数反转是本发明的重要目的。作为缓冲气体，氦常常与其他如氖、氩、氙等缓冲气体按气压配比使用，而在本发明中，仅仅使用氦原子的一个能级刚刚与铯原子能级相同这一特性而已。

Claims (5)

1.铯混合氦原子的无极灯，其特征在于，包括：充有铯原子混合氦原子的气室（3）；射频耦合线圈（2），所述射频耦合线圈（2）均匀缠绕在气室（3）外壁，用于在气室（3）中产生射频场；射频功放模块（4），与所述射频耦合线圈（2）连接，用于提供激励氦原子在第一激发态到基态之间跃迁谱线产生荧光的射频功率；屏蔽盒（1），屏蔽盒（1）的两端设有通光孔，所述气室（3）设置在屏蔽盒（1）中，气室（3）的端面对准屏蔽盒（1）的通光孔；所述气室（3）采用高透光材料制成，气室（3）除端面外的外侧壁上设有对氦原子在第一激发态到基态之间跃迁谱线所发荧光高反射的涂层。
2.根据权利要求1所述的铯混合氦原子的无极灯，其特征在于，所述气室为圆柱形的玻璃气室，气室的长度为4cm～6cm，气室的直径为1cm～3cm。
3.根据权利要求1所述的铯混合氦原子的无极灯，其特征在于，射频功放模块（4）提供给玻璃气室的射频功率为32MHz。
4.根据权利要求1所述的铯混合氦原子的无极灯，其特征在于，直流稳压电源为射频功放模块（4）供电，所述电源电压的调节范围在3V-10V。
5.铯混合氦原子的无极灯用于铯激发态光谱的方法，其特征在于，包括如权利要求1-4中任一项所述的铯混合氦原子无极灯，所述铯混合氦原子无极灯通过射频功放模块激励使氦原子跃迁产生荧光，所述荧光与铯原子从基态到第三激发态的跃迁波长对应并直接把气室中的铯原子激发到激发态。
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