CN108982429B - 一种精确测量超冷分子离解能的装置及方法 - Google Patents

一种精确测量超冷分子离解能的装置及方法 Download PDF

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    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited

Abstract

本发明属于超冷分子能级测量技术领域，提出了一种精确测量分子离解能的装置和方法。该装置包括第一激光器、第二激光器、飞秒光学频率梳、第一分光平片、第二分光平片、光栅、探测器和频谱仪，所述第一激光器发出的第一激光和第二激光器发出的第二激光分别经第一分光平片后重合形成第一重合光和第二重合光，其中第一重合光入射到超冷分子样品池，第二重合光和飞秒光学频率梳发出的光通过第二分光平片后重合形成第三重合光（14）并发生拍频，拍频信号由探测器探测后发送到频谱仪。本发明可以实现超冷振转基态分子离解能的快速、精确测量。

Description

一种精确测量超冷分子离解能的装置及方法
技术领域
本发明属于超冷分子能级测量技术领域，具体涉及一种精确测量分子离解能的装置和方法。
背景技术
近年来，超冷分子因其丰富的振转能级结构、基态长相干作用时间等独特特性使其在精密测量、量子计算、多体问题等方面发挥着巨大的作用。
在基于超冷分子的应用中，超冷振转基态分子的制备是关键步骤。实验制备的初态分子是激发态分子，需要将激发态的分子通过合适的方法转移到基态，通常使用的方法为受激拉曼绝热转移方法，如图2所示，第一激发光与基态|E1>和激发态|E2>共振，第二激发光与激发态|E2>和基态|G,0,0>共振，通过两束激光共同作用，将初态分子转移到振转基态。在这个过程中，精密的能级转移激光需要精确的基态离解能数据作支撑，精确的离解能数据为分子的理论计算提供了基础。离解能即基态|E1>与基态|G,0,0>的绝对频率差，该能级数据是分子理论计算的基础。由于分子相较于原子结构的复杂性，精确的能级数据理论计算较为困难。在对超冷分子内部结构的实验精确测量中，受限于实验测量仪器精度的局限性，测量精度的最高极限就是波长计的精度（20MHz），更加精确的实验测量不容易实现。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种精确测量分子离解能的装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种精确测量超冷分子离解能的装置，包括第一激光器、第二激光器、飞秒光学频率梳、第一分光平片、第二分光平片、光栅、探测器和频谱仪，所述第一激光器发出的第一激光和第二激光器发出的第二激光经第一分光平片后重合，并分别形成第一重合光和第二重合光，其中第一重合光入射到超冷分子样品池，第二重合光入射到第二分光平片，飞秒光学频率梳发出的光和第二重合光通过第二分光平片后重合形成第三重合光并发生拍频，拍频后的第三重合光通过光栅进行空间频率选模，然后经光阑进行空间滤波后由探测器探测，探测器将拍频信号转化为电信号后发送到频谱仪，所述第一激光器发出的激光频率覆盖超冷分子的基态|E1>和激发态|E2>共振频率，所述第二激光器发出的激光频率覆盖超冷分子的激发态|E2>和基态|G,0,0>共振频率。
所述的一种精确测量超冷分子离解能的装置，还包括反射镜，所述反射镜用于使第一激光器发出的光反射后入射到第一分光平片。
所述的一种精确测量超冷分子离解能的装置，还包括吸收成像探测装置，所述吸收成像探测装置用于测量超冷分子样品池中的分子数目，进而确定超冷分子的转移效率。
本发明还提供了一种精确测量超冷分子离解能的方法，采用的测量装置包括第一激光器、第二激光器、飞秒光学频率梳、光栅、探测器和频谱仪，所述第一激光器发出的激光频率覆盖超冷分子的基态|E1>和激发态|E2>共振频率，所述第二激光器发出的激光频率覆盖超冷分子的激发态|E2>和基态|G,0,0>共振频率，所述方法包括以下步骤：
S1、使第一激光器发出的第一激光和第二激光器发出的第二激光重合后入射到超冷分子样品池；
S2、固定第二激光的频率，改变第一激光的频率，测量不同频率下超冷分子样品池中的超冷分子的转移效率，得到第一激光器的激光频率与转移效率的对应曲线，进行拟合得到转移效率最高值对应的第一激光的频率f1；
S3、将第一激光的频率固定在频率f1上，改变第二激光的频率，测量不同频率下超冷分子样品池中的超冷分子的转移效率，得到第二激光器的激光频率与转移效率的对应曲线，进行拟合得到转移效率最高值对应的第二激光的频率f2；
S4、将第一激光的频率固定在频率f1上，第二激光的频率固定在f2上，使第一激光、第二激光和飞秒光学频率梳发出的光重合后发生拍频，并通过探测器探测后输出到频谱仪上；
S5、通过频谱仪上的光谱图识别出第一激光的频率f1和第二激光的频率f2之间的频率差，即为超冷分子的离解能。
所述步骤S2和步骤S3中，超冷分子的转移效率的测量方法如下：
测量处于基态|E1>的分子数目N1；
使第一激光和第二激光入射到超冷分子上，测量分子转移到基态|G,0,0>后再转移回基态|E1>时的分子数目N2；
根据N1和N2计算得到分子的转移效率η=N2/N1。
所述分子数目的测量方法是先通过吸收成像探测原子数目，再将原子数目转化为分子数目。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明解决了分子能级结构复杂导致理论计算的精度不足，以及常规实验测量手段中实验仪器测量精度受限的实验难题，可以实现超冷振转基态分子离解能的快速、精确测量，测量精度可以达到0.01MHz，准确度为10-11。
附图说明
图1为本发明的精确测量超冷分子离解能的装置的结构示意图；
图2为本发明中分子跃迁的能级图；
图3为本发明实施例中拍频得到的频谱图；
图中：1为第一激光器，2为反射镜，3为飞秒光学频率梳，4为第二分光平片，5为探测器，6为频谱仪，7为光阑，8为光栅，9为分子样品池，10为第一分光平片，11为第二激光器，12为第一重合光，13为第二重合光，14为第三重合光。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种精确测量超冷分子离解能的装置的结构示意图，该装置包括第一激光器1、第二激光器11、飞秒光学频率梳3、第一分光平片10、第二分光平片4、反射镜2、光栅8、探测器5和频谱仪6，所述第一激光器1发出的第一激光经反射镜2后入射到第一分光平片10，第二激光器11发出的第二激光直接入射到分光平片10，第一激光经第一分光平片10透射后的光束与第二激光经第一分光平片10反射后的光束重合，形成第一重合光12，第二激光经第一分光平片10反射后的光束与第二激光经第一分光平片10透射后的光束重合，形成第二重合光13，其中第一重合光12入射到超冷分子样品池9，第二重合光13入射到第二分光平片4，飞秒光学频率梳3发出的光和第二重合光13通过第二分光平片4后重合形成第三重合光14并发生拍频，拍频后的第三重合光14通过光栅（8）进行空间频率选模，然后经光阑7进行空间滤波后由探测器5探测，探测器5将拍频信号转化为电信号后发送到频谱仪6，所述第一激光器1发出的激光频率覆盖超冷分子的基态|E1>和激发态|E2>共振频率，所述第二激光器11发出的激光频率覆盖超冷分子的激发态|E2>和基态|G,0,0>共振频率。
进一步地，本实施例提供的一种精确测量超冷分子离解能的装置，还包括吸收成像探测装置，所述吸收成像探测装置用于测量超冷分子样品池中的分子数目。
本发明实施例还提供了一种精确测量超冷分子离解能的方法，其采用的测量装置包括第一激光器1、第二激光器11、飞秒光学频率梳3、光栅8、探测器5和频谱仪6，所述第一激光器1发出的激光频率覆盖超冷分子的基态|E1>和激发态|E2>共振频率，所述第二激光器11发出的激光频率覆盖超冷分子的激发态|E2>和基态|G,0,0>共振频率，所述方法包括以下步骤：
S1、使第一激光器1发出的第一激光和第二激光器11发出的第二激光重合后入射到超冷分子样品池，用于受激拉曼绝热转移过程；
S2、固定第二激光的频率，改变第一激光的频率，测量不同频率下超冷分子样品池9中的超冷分子的转移效率，得到第一激光器的激光频率与转移效率的对应曲线，进行拟合得到转移效率最高值对应的第一激光的频率f1；
S3、将第一激光的频率固定在频率f1上，改变第二激光的频率，测量不同频率下超冷分子样品池9中的超冷分子的转移效率，得到第二激光器的激光频率与转移效率的对应曲线，进行拟合得到转移效率最高值对应的第二激光的频率f2；
S4、将第一激光的频率固定在频率f1上，第二激光的频率固定在f2上，使第一激光、第二激光和飞秒光学频率梳3发出的光重合后发生拍频，通过光栅8进行空间频率选模，通过光阑7进行空间滤波，并通过探测器5对拍频光进行探测后输出到频谱仪6上；
S5、通过频谱仪上的光谱图识别出第一激光的频率f1的值和第二激光的频率f2的值，并计算f1与f2之间的频率差，即为超冷分子的离解能。
其中，只有当第一激光的频率与分子的基态|E1>到激发态|E2>精确共振时，分子才能以较高的效率从基态|E1>转移到激发态|E2>，第二激光也是同理，因此，通过测量分子的转移效率，可以间接反映出第一激光与分子能级的基态|E1>到激发态|E2>的共振程度，同样，通过测量分子的转移效率，还可以间接反映出第二激光与分子能级的激发态|E2>到基态|G,0,0>的共振程度，进而将第一激光和第二激光的频率分别精确调整到共振频率f1和共振频率f2上。
本发明通过拍频将能级信息的高频信号转移到拍频信号的可识别范围，使它们由难以测量变得容易测量。将频率为f1的第一激光与相邻梳齿进行拍频，可以得到f1激光与梳齿的拍频信号，也就是这两个频率的频率差，而梳齿的频率是精确确定的，那么我们就可以获得f1的精确频率，同理，我们也可以获得f2的精确频率，从图2可以看出，f1与f2的频率差就是离解能。其中，光学频率梳的频率覆盖范围可以达到几百nm，光学频率梳的频率间隔各不相同，有的小到MHz量级，大的为几个GHz，本发明实施例中，使用的型号是FC-1500-250的光学频率梳，其频率范围为500~900nm，频率间隔为250MHz，可以覆盖超冷分子跃迁的两个激光频率。两束激光和光学频率梳同时进行拍频，两束激光与光梳的宽频率范围中最近的梳齿进行拍频探测。频率分别为f1和f2的第一激光和第二激光与光学频率梳重合后进行拍频进而入射到光栅上，经过光栅衍射后光将在空间上分散开来，拍频光（空间上看就是重叠光，光强相较于其它频率位置要强）可以通过光阑7空间选择进入探测器进行探测。
其中，所述步骤S2和步骤S3中，超冷分子的转移效率的测量方法如下：
测量处于基态|E1>的分子数目N1；
使第一激光和第二激光入射到超冷分子上，测量分子转移到基态|G,0,0>后再转移回基态|E1>时的分子数目N2；
根据N1和N2计算得到分子的转移效率η=N2/N1。
其中，分子数目的测量方法是先通过吸收成像探测原子数目，通过原子数目变化得到分子数目变化。冷分子的探测手段是一种本领域的公知技术，因此本发明不做详细说明，探测方法可以通过吸收成像技术。探测装置是电子倍增电荷耦合器件。吸收成像探测时，探测的是原子的数目，但是反应的是分子数目的信息。
如图3所示，为本发明实施例中，通过频谱仪识别到的拍频光的频谱图，下面介绍通过光学频率梳识别未知激光的频率的具体方法。
未知激光频率的表达式为：
f r=N×f r ±f 0±f b； （1）
其中f r为飞秒光学频率梳的重复频率，f 0为飞秒光学频率梳的偏置频率，f b为拍频频率。
步骤一：确定飞秒光学频率梳的重复频率f r和偏置频率f 0的大小，本实施例中，f r=250MHz， f 0 = 20MHz。
步骤二：通过频谱图读出拍频频率f b的大小。
步骤三：判断式（1）中f b前面的符号：增大飞秒光学频率梳的重复频率f r，增加的值可以尽可能小，例如，从250MHz增加到250.1MHz，如果光梳梳齿与拍频信号的间距减小，则表达式（1）中f b前面的符号为正号；如果梳齿与拍频信号的间距增大，则f b前面的符号为负号。
步骤四：判断式（1）中f 0前面的符号：改变f 0的大小，如果式（1）中f b前面的符号为正号，f 0增大的同时f b也增大，则f 0 为负值，反之则为正值；如果f b前面的符号为负号，f 0增大的同时f b也增大，则f 0 为正值，反之则为负值。
步骤五：N值大小的判断，通过波长计可以大致确定f x的大小，然后根据f x=nf r+f 0可知与其相邻的梳齿n的值，然后再判断哪个梳齿与其发生拍频，微调f 0，通过监测拍频信号的改变，确定N值是n+1还是n-1。
本发明所述精确测量分子离解能装置及方法，解决了分子能级结构复杂导致理论计算的精度不足，以及常规实验测量手段中实验仪器测量精度受限的实验难题，实现超冷振转基态分子离解能的快速、精确测量。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种精确测量超冷分子离解能的装置，其特征在于，包括第一激光器（1）、第二激光器（11）、飞秒光学频率梳（3）、第一分光平片（10）、第二分光平片（4）、光栅（8）、探测器（5）和频谱仪（6），所述第一激光器（1）发出的第一激光和第二激光器（11）发出的第二激光经第一分光平片（10）后重合，并分别形成第一重合光（12）和第二重合光（13），其中第一重合光（12）入射到超冷分子样品池（9），第二重合光（13）入射到第二分光平片（4），飞秒光学频率梳（3）发出的光和第二重合光（13）通过第二分光平片（4）后重合形成第三重合光（14）并发生拍频，拍频后的第三重合光（14）通过光栅（8）进行空间频率选模，然后经光阑（7）进行空间滤波后由探测器（5）探测，探测器（5）将拍频信号转化为电信号后发送到频谱仪（6），所述第一激光器（1）发出的激光频率覆盖超冷分子的基态|E1>和激发态|E2>共振频率，所述第二激光器（11）发出的激光频率覆盖超冷分子的激发态|E2>和基态|G,0,0>共振频率。
2.根据权利要求1所述的一种精确测量超冷分子离解能的装置，其特征在于，还包括反射镜（2），所述反射镜（2）用于使第一激光器（1）发出的光反射后入射到第一分光平片（10）。
3.根据权利要求1所述的一种精确测量超冷分子离解能的装置，其特征在于，还包括吸收成像探测装置，所述吸收成像探测装置用于测量超冷分子样品池中的分子数目，进而确定超冷分子的转移效率。
4.一种精确测量超冷分子离解能的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种精确测量超冷分子离解能的装置实现，所述方法包括以下步骤：
S1、使第一激光器（1）发出的第一激光和第二激光器（11）发出的第二激光重合后入射到超冷分子样品池；
S2、固定第二激光的频率，改变第一激光的频率，测量不同频率下超冷分子样品池（9）中的超冷分子的转移效率，得到第一激光器的激光频率与转移效率的对应曲线，进行拟合得到转移效率最高值对应的第一激光的频率f1；
S3、将第一激光的频率固定在频率f1上，改变第二激光的频率，测量不同频率下超冷分子样品池（9）中的超冷分子的转移效率，得到第二激光器的激光频率与转移效率的对应曲线，进行拟合得到转移效率最高值对应的第二激光的频率f2；
S4、将第一激光的频率固定在频率f1上，第二激光的频率固定在f2上，使第一激光、第二激光和飞秒光学频率梳（3）发出的光重合后发生拍频，并通过探测器探测后输出到频谱仪（6）上；
S5、通过频谱仪上的光谱图识别出第一激光的频率f1和第二激光的频率f2之间的频率差，即为超冷分子的离解能。
5.根据权利要求4所述的一种精确测量超冷分子离解能的方法，其特征在于，所述步骤S2和步骤S3中，超冷分子的转移效率的测量方法如下：
测量处于基态|E1>的分子数目N1；
使第一激光和第二激光入射到超冷分子上，测量分子转移到基态|G,0,0>后再转移回基态|E1>时的分子数目N2；
根据N1和N2计算得到分子的转移效率η=N2/N1。
6.根据权利要求5所述的一种精确测量超冷分子离解能的方法，其特征在于，分子数目的测量方法是先通过吸收成像探测原子数目，再将原子数目转化为分子数目。
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