CN110837109B - 原子激发态光谱获得方法和超精细能级测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于原子光谱技术领域，公开了一种原子激发态光谱获得方法，以及利用其测量原子激发态超精细能级结构的方法和装置。该方法通过将频率扫描且波长等于原子基态‑中间激发态跃迁波长的第一激光作为泵浦光，将波长工作于原子中间激发态‑更高激发态跃迁波长的第二激光作为探测光，泵浦光与探测光束在原子玻璃泡中重叠，便得到平坦背景光学双共振吸收光谱。同时，泵浦光频率扫描过程中获得的基态‑中间激发态跃迁的光谱信号作为“频率标尺”，利用其对平坦背景光学双共振吸收光谱测量得到原子更高激发态超精细能级结构。本发明具有装置简洁，且所获得的原子激发态光谱背景平坦，谱线位置易确定等优点，可广泛用于原子激发态能级结构的测量中。

Description

原子激发态光谱获得方法和超精细能级测量方法与装置

技术领域

本发明属于原子光谱技术领域，具体涉及一种原子激发态光谱获得方法和超精细能级测量方法与装置。

背景技术

对原子能级结构的认识，其本质就是对与其相关的“谱”的获得、测量和研究。对原子能级结构的测量，可以对各种超精细能级结构计算的理论方法作出严格实验检验，并在量子电动力学理论检验、原子频标、激光分离同位数、激光稳频等方面具有重要意义。通常，室温下气室中的原子样品服从麦克斯韦-波尔兹曼分布，原子无规则热运动以及处于基态能级。因此，单独一束波长处于基态-中间激发态跃迁的激光通过这样的原子样品，所获得的光谱由于多谱勒展宽效应淹没了它们之间超精细能级跃迁的光谱信息，为此人们发展了饱和吸收光谱和偏振光谱等技术解决了这一问题。对于原子更高激发态能级结构的认识，常需要获得原子中间激发态-更高激发态超精细能级跃迁的光谱。由于室温下的原子处于基态，因此一般先通过频率共振于基态-中间激发态的激光将特定速度群的原子布居到中间激发态；然后另一激光其频率在中间激发态和更高激发态之间扫描，便可获得这两个激发态超精细能级之间跃迁的光谱。

目前，常见的获得原子激发态光谱的技术有：光学双共振吸收光谱、双共振光抽运光谱和双色偏振光谱。这三种激发态光谱技术的共同点，均是通过频率共振于基态-中间激发态的激光(λ₁)将原子由基态布居到中间激发态，另一波长的激光(λ₂)在中间激发态-更高激发态之间频率扫描；三种光谱不同点在于：光学双共振吸收光谱是波长λ₂的激光作为探测光，获得中间激发态-更高激发态超精细能级之间跃迁的吸收光谱信号，对两波长的激光(λ₁、λ₂)的偏振没有要求。双色偏振光谱是波长λ₁的圆偏振激光作为泵浦光，将原子布居中间激发态并极化，波长λ₂的线偏振激光作为探测光，其通过原子样品后，用半波片和立方偏振分光棱镜分成两束，差分探测便可获得双色偏振光谱，其对两激光的偏振有明确的要求。光学双共振吸收光谱和双色偏振光谱均是波长λ₂的激光作为探测光，由于其频率扫描时的非线性效应，造成这两种激发态光谱的背景不平坦，影响到其光谱的信噪比，以及谱线中心位置的精密确定。双共振光抽运光谱，是波长λ₁的激光既作为泵浦光，又作为探测光，由于波长λ₂激光频率扫描到中间激发态-更高激发态某一对超精细能级跃迁之间，都会通过双光子光抽运效应造成原子基态某一超精细子能级布居数转移到基态的另一超精子细能级，这种布居数的变化被波长λ₁的激光探测到，因此所获得的光谱依然对应于原子激发态超精细能级之间的跃迁，因其频率不扫描，故其拥有平坦的光谱背景，显著提高了激发态光谱的信噪比。上述三种常见的激发态光谱技术，波长λ₁和波长λ₂的激光器运行方式都一样，均是波长λ₁的激光频率共振于原子基态-中间激发态的跃迁线，通过扫描工作于中间激发态-更高激发态之间的波长λ₂的激光频率获得的，因此必须要通过其他一些额外的光学元件如声光调制器、电光调制器，频率梳、以及光学腔等辅助元件建立“频率标尺”，来测量原子更高激发态超精细分裂能级之间的频率间隔。

基于原子阶梯型能级结构(基态-中间激发态-更高激发态)，传统的原子激发态光谱技术及测量，均是采取波长λ₁的激光频率共振于基态-中间激发态的跃迁线，通过扫描工作于中间激发态-更高激发态之间的波长λ₂激光频率来获得更高激发态超精细分裂的光谱信息，然后利用额外的光学元件建立“频率标尺”来完成原子激发态超精细能级结构的测量。以上存在两方面的问题，一是由于通常作为探测光的λ₂激光频率扫描，导致所获得的原子激发态光谱背景不平坦，各谱线中心位置难以精确确定；二是上述获得原子激发态光谱时激光器的运行方式，无法直接同时获得“频率标尺”。因此，需要提出一种新型的原子激发态光谱及测量技术，完成原子更高激发态超精细分裂频率间隔的测量。

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：提供一种结构简单、具有平坦背景、信噪比高的原子激发态光谱方法，及应用其来测量原子激发态超精细能级结构的方法与装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种原子激发态光谱获得方法，包括以下步骤：对波长λ₁等于原子的基态-中间激发态的跃迁波长的第一激光进行频率扫描，使其在原子的基态-中间激发态的各个超精细能级跃迁之间逐一共振，并将第一激光作为泵浦激光；将波长λ₂等于原子的中间激发态-更高激发态的跃迁波长的第二激光作为探测光入射至原子玻璃泡，使其与原子玻璃泡中的原子作用后进行探测，并将泵浦激光与探测光反向入射至原子玻璃泡，且泵浦光与探测光束重叠；然后对探测光的频率进行调谐，直至探测得到平坦背景光学双共振吸收光谱后固定其频率。

所述原子为具有基态—中间激发态—更高激发态的阶梯型能级构型的原子系统。

此外，本发明还提供了一种测量原子激发态超精细能级结构的方法，包括以下步骤：

S1、对波长λ₁等于原子的基态-中间激发态的跃迁波长的第一激光进行频率扫描，使其在原子的基态-中间激发态的各个超精细能级跃迁之间共振，并将第一激光分为两部分，一部分入射至基态-中间激发态超精细跃迁光谱装置获得原子的中间激发态的超精细能级的光谱信号；另一部分作为泵浦激光；

S2、将波长λ₂等于原子的中间激发态-更高激发态的跃迁波长的第二激光作为探测光入射至原子玻璃泡中，使其与原子玻璃泡中的原子作用后进行探测，并将泵浦激光束反向入射至原子玻璃泡，且泵浦激光与探测光束重叠；

S3、对探测光的频率进行调谐，直至探测得到平坦背景光学双共振吸收光谱后固定其频率；

S4、然后将中间激发态的超精细能级的光谱信号作为“频率标尺”，通过对平坦背景光学双共振吸收光谱测量得到原子更高激发态超精细能级结构。

所述基态-中间激发态超精细跃迁光谱装置为饱和吸收光谱装置，所述中间激发态的超精细能级的光谱信号为无多普勒背景的饱和吸收光谱信号。

所述步骤S3具体包括以下步骤：

调谐探测光的频率，获得具有平坦背景的光学双共振吸收光谱，并分析、识别各个谱线峰所对应的超精细跃迁能级；

所述步骤S4具体包括以下步骤：

用数字示波器同时记录无多普勒背景的饱和吸收光谱和平坦背景的光学双共振吸收光谱；对两光谱数据进行多峰洛伦兹拟合，确定各超精细跃迁谱线的中心位置，将光谱数据的时间轴线性转化为频率轴；计算出所关注的谱线之间的频率间隔，即为更高激发态能级超精细分裂的频率间隔。

进一步地，本发明还提供了一种测量原子激发态超精细能级结构的装置，包括激发态光谱获得单元和激发态光谱测量单元；

所述激发态光谱测量单元包括第一激光器、第一分束器、基态-中间激发态超精细跃迁光谱装置，所述第一激光器用于发出波长λ₁等于原子的基态-中间激发态的跃迁波长的第一激光，并且所述第一激光在原子的基态到中间激发态的各个能级跃迁之间进行频率扫描；所述第一激光经分束器分为两束后，一束入射至基态-中间激发态超精细跃迁光谱装置，用于得到原子的中间激发态超精细分裂的光谱信号；另一束作为泵浦光入射至激发态光谱获得单元；

所述激发态光谱获得单元包括第二激光器、原子玻璃泡、双色镜和探测器，所述第二激光器用于发出波长λ₂等于原子的中间激发态-更高激发态的跃迁波长的第二激光，所述第二激光作为探测光入射至原子玻璃泡，然后经双色镜与泵浦光分离后被所述探测器探测；所述泵浦光经双色镜后入射至所述原子玻璃泡并在原子玻璃泡内与探测光反向重合。

所述基态-中间激发态超精细跃迁光谱装置为饱和吸收光谱装置。

所述饱和吸收光谱装置包括玻璃板、第二原子玻璃泡、二分之一波片、立方偏振分光棱镜、第二光电探测器、第三光电探测器、第一反射镜和第二反射镜，所述第一激光经第一分束器分为两束后，一束入射至玻璃板后分为三束激光，其中经玻璃板前后两个光学面反射的两束激光分别作为饱和吸收光谱装置的参考光和探测光，它们经过第二原子玻璃泡、二分之一波片和立方偏振分光棱镜后分别由第二光电探测器和第三光电探测器探测；透射过玻璃板的一束激光作为饱和吸收光谱装置中的泵浦光，经第一反射镜、第二反射镜、立方偏振分光棱镜反射之后，再经二分之一波片与探测光在第二原子玻璃泡中反向重叠。

所述分束器为一个二分之一波片和一个立方偏振分光棱镜形成的分束器。

所述激发态光谱测量单元还包括计算单元，所述计算单元用于对光谱数据进行多峰洛伦兹拟合，确定各超精细跃迁谱线的中心位置，将光谱数据的时间轴线性转化为频率轴；计算出所关注的谱线之间的频率间隔，即为更高激发态能级超精细分裂的频率间隔。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明通过将两束波长分别为λ₁和λ₂的激光作用于原子，其中，波长λ₁的激光作为泵浦激光，在基态-中间激发态之间频率扫描，波长λ₂的激光作为探测光，其频率工作于中间激发态-更高激发态之间(频率并不扫描)，同样在不违背双光子共振条件下获得原子中间激发态-更高激发态超精细能级之间跃迁的光谱信息，且由于探测光λ₂频率不扫描使得其激发态光谱具有平坦的背景，提高了激发态光谱的信噪比，也易精密确定谱线的中心位置；

2、由于泵浦光λ₁的频率扫描，因此在获得平坦背景的原子激发态光谱的同时，也可通过常用的饱和吸收光谱，或偏振光谱等技术获得基态-中间激发态超精细能级跃迁的光谱，即建立了“频率标尺”，用原子已知的中间激发态能级超精细分裂来测量未知的、更高激发态超精细分裂能级结构。

总之，与现有技术相比，本发明装置更简洁一点，且激发态光谱具有平坦背景、谱线中心位置易确定、信噪比高、便于推广的优点。

附图说明

图1为本发明实施例中测量的铯原子6S_1/2-6P_3/2-8S_1/2(852nm+795nm)超精细能级图；

图2为本发明实施例提供的一种测量原子激发态超精细能级结构的装置结构示意图；

图3为本发明实施例测量得到的具有平坦背景的光学双共振吸收光谱及饱和吸收光谱；图中曲线L1～L4分别为背景平坦的光学双共振吸收光谱、去除多普勒背景的饱和吸收光谱、含有多普勒背景的饱和吸收光谱、多普勒展宽的吸收光谱；

图4为本发明实施例得到的无多普勒背景的饱和吸收光谱的多峰洛仑兹拟合示意图；

图5为本发明实施例得到的平坦背景光学双共振吸收光谱的多峰洛仑兹拟合，以及作为“频率标尺”的饱和吸收光谱的示意图；

图6为现有技术中的传统光学双共振吸收光谱示意图。

图中：1-852nm半导体激光器，2-852nm光学隔离器，3-852nm二分之一波片，4-立方偏振分光棱镜，5-5～10mm厚的玻璃板，6-铯泡，7-852nm二分之一波片，8-立方偏振分光棱镜，9-光电探测器，10-光电探测器，11-反射镜，12-反射镜，13-反射镜；14-795nm半导体激光器，15-795nm光学隔离器，16-795nm二分之一波片，17-立方偏振分光棱镜，18-铯泡，19-795nm/852nm双色镜，20-光电探测器。

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做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。

本发明实施例提供了一种测量原子激发态超精细能级结构的方法，通过改变两激光器的运行方式，即波长λ₁的激光作为泵浦激光，在基态-中间激发态之间频率扫描，波长λ₂的激光作为探测光，其频率工作于中间激发态-更高激发态之间(频率并不扫描)，同样在不违背双光子共振条件下获得原子中间激发态-更高激发态超精细能级之间跃迁的光谱信息，且由于探测光λ₂频率不扫描使得其激发态光谱具有平坦的背景，提高了激发态光谱的信噪比，也易确定谱线的中心位置；又由于泵浦光λ₁的频率扫描，因此在获得原子激发态光谱的同时，也可通过常用的饱和吸收光谱，或偏振光谱技术获得基态-中间激发态超精细能级跃迁的光谱，即建立了“频率标尺”，用原子已知的超精细分裂测量未知的、更高激发态超精细分裂能级结构。具体地，本发明实施例的测量方法包括以下步骤：

S1、对波长λ₁等于的原子基态-中间激发态的跃迁波长的第一激光进行频率扫描，使其在原子的基态-中间激发态的各个超精细能级之间共振，并将第一激光分为两部分，一部分入射至基态-中间激发态超精细跃迁光谱装置获得原子的中间激发态的超精细能级分裂的光谱信号；另一部分作为泵浦激光；

S2、将波长λ₂等于原子的中间激发态-更高激发态的跃迁波长的第二激光作为探测光入射至铯泡中的原子后进行探测，并将泵浦光束与探测光束反向入射至铯泡中的原子，且与探测光束重叠；

S3、对探测光的频率进行调谐，直至探测得到平坦背景的光学双共振吸收光谱；

S4、然后将中间激发态的超精细跃迁光谱信号作为“频率标尺”，通过其对平坦背景光学双共振吸收光谱测量得到原子更高激发态超精细能级结构。

具体地，本发明实施例提供的一种测量原子激发态超精细能级结构的方法，适用于具有基态—中间激发态—更高激发态的阶梯型能级构型的原子系统。

具体地，本实施例中，所述基态-中间激发态超精细跃迁光谱装置为饱和吸收光谱装置，所述中间激发态的超精细能级的光谱信号为去掉多普勒背景的饱和吸收光谱信号。

具体地，本实施例中，所述步骤S3具体包括以下步骤：调谐探测光的波长，获得具有平坦背景的光学双共振吸收光谱，并分析、识别各个谱线峰所对应的超精细跃迁能级；

所述步骤S4具体包括以下步骤：用数字示波器同时记录无背景饱和吸收光谱和平坦背景的光学双共振吸收光谱；对两光谱数据进行多峰洛伦兹拟合，确定各超精细跃迁谱线的中心位置，将光谱数据的时间轴线性转化为频率轴；计算出所关注的谱线之间的频率间隔，即为更高激发态能级超精细分裂的频率间隔。

本发明实施例还提供了一种测量原子激发态超精细能级结构的装置，该装置可以用于测量铯原子激发态的超精细能级。如图1所示，为铯原子的能级结构图，如图2所示，为本发明实施例提供的一种测量原子激发态超精细能级结构的装置结构示意图，该装置包括激发态光谱获得单元和激发态光谱测量单元。其中，激发态光谱获得单元用于实验获得原子更高激发态能级超精细分裂的光谱信息；激发态光谱测量单元用于实现“频率标尺”的建立，测量更高激发态能级超精细分裂的频率间隔，以及相关的计算机软件数据处理。

如图2所示，所述激发态光谱测量单元包括852nm半导体激光器1、隔离器2、二分之一波片3和一个立方偏振分光棱镜4形成的分束器、基态-中间激发态超精细跃迁光谱装置，所述第一激光器1用于发出波长λ₁等于原子的基态-中间激发态的跃迁波长的第一激光，即铯原子的6S_1/2-6P_3/2的跃迁线，并且所述第一激光在原子的基态到中间激发态的各个能级跃迁之间进行频率扫描；所述第一激光经立方偏振分光棱镜4反射的光入射至基态-中间激发态超精细跃迁光谱装置，用于得到原子的中间激发态的超精细分裂的光谱信号，即“频率标尺”；经立方偏振分光棱镜4透射的光作为泵浦光入射至激发态光谱获得单元。

其中，所述基态-中间激发态超精细跃迁光谱装置为饱和吸收光谱装置，饱和吸收光谱装置包括玻璃板5、铯泡6、二分之一波片7、立方偏振分光棱镜8、第二光电探测器9、第三光电探测器10、第一反射镜11和第二反射镜12，所述第一激光经第一分束器分为两束后，一束入射至玻璃板5后分为三束激光，其中经玻璃板5前后两个光学面反射的两束激光分别作为饱和吸收光谱装置的参考光和探测光，经过铯泡6、二分之一波片7和立方偏振分光棱镜8后分别由第二光电探测器9和第三光电探测器10探测；透射过玻璃板5的一束激光作为饱和吸收光谱装置中的泵浦光，经第一反射镜11、第二反射镜12、立方偏振分光棱镜8反射之后，再经二分之一波片7与探测光在铯泡6中反向重叠。在探测器9获得的是含有多普勒背景的饱和吸收光谱信号，探测器10获得的参考光经过铯泡6后的多普勒展宽背景的吸收光谱信号，两光谱信号作差便是无背景的饱和吸收光谱信号，如图3所示，将作为“频率标尺”测量更高激发态8S_1/2能级的超精细分裂。

如图2所示，所述激发态光谱获得单元包括795nm半导体激光器14、铯泡18、双色镜19和光电探测器20，所述第二激光器14用于发出波长λ₂等于原子6P_3/2-8S_1/2跃迁线之间的第二激光，其波长λ₂＝794.608nm，所述第二激光经隔离器15、二分之一波片16和立方偏振分光棱镜17后，作为探测光入射至铯泡18，然后经双色镜19后被所述光电探测器20探测；所述泵浦光经双色镜19后入射至所述铯泡18并在铯泡18内与探测光反向重合。由于探测光仅是工作于6P_3/2-8S_1/2跃迁线之间，频率不扫描，故在光电探测器20处将获得具有平坦背景的光学双共振吸收光谱，典型实验结果见图3。

本实施例中，波长λ₁＝852.356nm的激光作为泵浦光，其频率在铯原子6S_1/2F＝4-6P_3/2F’＝3、4、5的跃迁线之间扫描，相对于6S_1/2-6P_3/2的某一对超精细跃迁线的频率失谐为Δ₁；波长λ₂＝794.608nm的激光作为探测光，其频率工作于6P_3/2-8S_1/2的跃迁线之间某一位置即可，相对于6P_3/2-8S_1/2的某一对超精细跃迁线的频率失谐为Δ₂。探测光束与泵浦光束的高斯直径为≈1mm，激光功率均<≈1mW，二者通过双色镜反向重叠于室温下的铯泡中(铯泡形状为圆柱形的，长度≈70mm，直径≈25mm)。考虑多普勒效应后，在满足双光子共振条件下Δ₁+Δ₂+(v/λ₁-v/λ₂)＝0(v为沿光速路径上原子运动的速度分量)，探测光λ₂穿过铯泡后在光电探测器20处探测，即可获得背景平坦的原子激发态光学双共振吸收光谱。

在获得上述背景平坦的原子激发态光学双共振吸收光谱时，由于λ₁＝852.356nm泵浦光采取频率在铯原子6S_1/2F＝4-6P_3/2F’＝3、4、5的跃迁线之间扫描的方式，因此可通过饱和吸收光谱技术(或者偏振光谱技术)获得6S_1/2-6P_3/2超精细跃迁的光谱信号，谱线之间的间隔完全由中间激发态6P_3/2能级的超精细分裂频率间隔决定，6P_3/2态能级对应于铯原子D2线，其能级分裂的超精细频率间隔已被精确确定(见图1)，故其超精细跃迁光谱可作为更高激发态能级结构测量的“频率标尺”，从而完成更高激发态8S_1/2超精细能级结构的测量。所以，本发明的特色是：在波长λ₁＝852.356nm激光频率扫描方式下，同时获得激发态6P_3/2、8S_1/2能级超精细分裂的光谱信息。

将光电探测器9、10和20的探测信号通过示波器记录，示波器记录的无背景饱和吸收光谱和平坦背景的光学双共振吸收光谱其横轴均为时间，纵轴表示超精细跃迁光谱信号幅度的大小。把无背景饱和吸收光谱的数据导入Origin软件绘图，然后对饱和吸收光谱曲线进行多峰洛伦兹拟合，确定每个超精细跃迁谱线中心对应的时间点(见图4)，进而某一对超精细跃迁谱线之间的时间间隔便可计算出Δt，而这一对超精细跃迁谱线之间的频率间隔由中间激发态6P_3/2能级超精细分裂的大小(已知，见图1)给出Δν₈₅₂，即可得出单位时间对应的频率间隔Δν₈₅₂/Δt，据此值将饱和吸收光谱的时间轴线性转换为频率轴。

由于无背景饱和吸收光谱和平坦背景的光学双共振吸收光谱均是在波长λ₁＝852.356nm的激光频率扫描时同时获得，同样用Δν₈₅₂/Δt值将平坦背景的光学双共振光谱信号的时间轴线性转换为频率轴，然后用Origin软件对平坦背景的光学双共振光谱信号进行多峰洛伦兹拟合，确定每个超精细跃迁谱线中心对应的频率值，计算出它们之间的频率间隔Δν₈₅₂′(见图5)。如图5所示，本发明实施例得到平坦背景的光学双共振吸收光谱；如图6所示，为现有技术中测量得到的传统光学双共振吸收光谱示意图，其光谱背景极不平坦，从图中可以看出，本发明得到光谱信噪比大大提高，可以提高能级测量的准确性。

由于激发态光谱实验中探测光波长λ₂＝794.608nm，而“频率标尺”是基于λ₁＝852.356nm的激光频率扫描时建立，故频率间隔Δν₈₅₂’*λ₁/λ₂＝Δν₇₉₅后才对应于原子更高激发态能级超精细分裂的频率间隔值(原因是同样速度的原子对不同波长的激光多普勒频移不一样，所有的光学双共振吸收谱线都满足双光子共振条件Δ₁+Δ₂+(v/λ₁-v/λ₂)＝0)。依据上述数据处理流程和方法，最后得到激发态8S_1/2F″＝3-8S_1/2F″＝4之间的超精细频率间隔为875.44MHz，与文献中报道的结果一致，见图1。

以铯原子为例，本发明实施例提供了一种测量原子激发态超精细能级结构的方法，包括如下步骤：

(1)将波长为852nm泵浦光频率调谐到铯原子6S_1/2F＝4-6P_3/2F’＝3、4、5跃迁线，扫描其频率，获得相应的无背景饱和吸收光谱，据此信号建立“频率标尺”；

(2)调谐波长为795nm探测光，获得具有平坦背景的光学双共振吸收光谱，并分析、识别各谱线所对应于原子激发态6P_3/2-8S_1/2跃迁中的哪一对超精细跃迁能级；

(3)用数字示波器同时记录无背景饱和吸收光谱(“频率标尺”)和平坦背景的光学双共振吸收光谱(原子激发态超精细跃迁光谱)，见图3；

(4)用Origin软件对两光谱数据进行多峰洛伦兹拟合，确定各超精细跃迁谱线的中心位置，将光谱数据的时间轴线性转化为频率轴；

(5)计算出所关注的谱线之间的频率间隔，即更高激发态8S_1/2F″＝3/4能级超精细分裂的频率间隔；

以上是以铯原子激发态8S_1/2超精细能级分裂测量为例说明，对于其它原子激发态能级结构的测量上述方法同样适用。

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 (9)

1.一种原子激发态光谱获得方法，其特征在于，包括以下步骤：对波长λ₁等于原子的基态-中间激发态的跃迁波长的第一激光进行频率扫描，使其在原子的基态-中间激发态的各个超精细能级跃迁之间共振，并将第一激光作为泵浦激光；将波长λ₂等于原子的中间激发态-更高激发态的跃迁波长的第二激光作为探测光入射至原子玻璃泡，通过单探测器对与原子玻璃泡中的原子作用后的探测光的光强进行直接探测，将泵浦激光与探测光反向入射至原子玻璃泡，且泵浦激光与探测光束重叠；然后对探测光的频率进行调谐，直至探测得到平坦背景光学双共振吸收光谱后固定其频率。

2.根据权利要求1所述的一种原子激发态光谱获得方法，其特征在于，所述原子为具有基态—中间激发态—更高激发态的阶梯型能级构型的原子系统。

3.一种测量原子激发态超精细能级结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对波长λ₁等于原子的基态-中间激发态的跃迁波长的第一激光进行频率扫描，使其在原子的基态-中间激发态的各个超精细能级跃迁之间共振，并将第一激光分为两部分，一部分入射至基态-中间激发态超精细跃迁光谱装置获得原子的中间激发态的超精细能级分裂的光谱信号；另一部分作为泵浦激光；

S2、将波长λ₂等于原子的中间激发态-更高激发态的跃迁波长的第二激光作为探测光入射至原子玻璃泡中，使其与原子玻璃泡中的原子作用后进行探测，并将泵浦激光束反向入射至原子玻璃泡，且泵浦激光与探测光束重叠；

S3、对探测光的频率进行调谐，直至探测得到平坦背景光学双共振吸收光谱后固定其频率；

S4、然后将中间激发态的超精细能级的光谱信号作为“频率标尺”，通过对平坦背景光学双共振吸收光谱测量得到原子更高激发态超精细能级结构。

4.根据权利要求3所述的一种测量原子激发态超精细能级结构的方法，其特征在于，所述基态-中间激发态超精细跃迁光谱装置为饱和吸收光谱装置，所述中间激发态的超精细能级的光谱信号为无多普勒背景的饱和吸收光谱信号。

5.根据权利要求4所述的一种测量原子激发态超精细能级结构的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

调谐探测光的频率，获得具有平坦背景的光学双共振吸收光谱，并分析、识别各个谱线峰所对应的超精细跃迁能级；

所述步骤S4具体包括以下步骤：

用数字示波器同时记录无多普勒背景的饱和吸收光谱和平坦背景的光学双共振吸收光谱；对两光谱数据进行多峰洛伦兹拟合，确定各超精细跃迁谱线的中心位置，将光谱数据的时间轴线性转化为频率轴；计算出所关注的谱线之间的频率间隔，即为更高激发态能级超精细分裂的频率间隔。

6.一种测量原子激发态超精细能级结构的装置，其特征在于，用于实施权利要求3所述的一种测量原子激发态超精细能级结构的方法，包括激发态光谱获得单元和激发态光谱测量单元；

所述激发态光谱测量单元包括第一激光器（1）、第一分束器、基态-中间激发态超精细跃迁光谱装置，所述第一激光器（1）用于发出波长λ₁等于原子的基态-中间激发态的跃迁波长的第一激光，并且所述第一激光在原子的基态到中间激发态的各个能级跃迁之间进行频率扫描；所述第一激光经分束器分为两束后，一束入射至基态-中间激发态超精细跃迁光谱装置，用于得到原子的中间激发态能级的超精细分裂的光谱信号；另一束作为泵浦光入射至激发态光谱获得单元；

所述激发态光谱获得单元包括第二激光器（14）、原子玻璃泡（18）、双色镜（19）和第一光电探测器（20），所述第二激光器（14）用于发出波长λ₂等于原子的中间激发态-更高激发态的跃迁波长的第二激光，所述第二激光作为探测光入射至原子玻璃泡（18），然后经双色镜（19）与泵浦光分离后被所述第一光电探测器（20）探测；所述泵浦光经双色镜（19）后入射至所述原子玻璃泡（18），并在原子玻璃泡（18）内与探测光反向重合；所述激发态光谱测量单元还包括计算单元，所述计算单元用于对光谱数据进行多峰洛伦兹拟合，确定各超精细跃迁谱线的中心位置，将光谱数据的时间轴线性转化为频率轴；计算出所关注的谱线之间的频率间隔，即为更高激发态能级超精细分裂的频率间隔。

7.根据权利要求6所述的一种测量原子激发态超精细能级结构的装置，其特征在于，所述基态-中间激发态超精细跃迁光谱装置为饱和吸收光谱装置。

8.根据权利要求7所述的一种测量原子激发态超精细能级结构的装置，其特征在于，所述饱和吸收光谱装置包括玻璃板（5）、第二原子玻璃泡（6）、二分之一波片（7）、立方偏振分光棱镜（8）、第二光电探测器（9）、第三光电探测器（10）、第一反射镜（11）和第二反射镜（12），所述第一激光经第一分束器分为两束后，一束入射至玻璃板（5）后分为三束激光，其中经玻璃板（5）前后两个光学面反射的两束激光分别作为饱和吸收光谱装置的参考光和探测光，它们经过第二原子玻璃泡（6）、二分之一波片（7）和立方偏振分光棱镜（8）后分别由第二光电探测器（9）和第三光电探测器（10）探测；透射过玻璃板（5）的一束激光作为饱和吸收光谱装置中的泵浦光，经第一反射镜（11）、第二反射镜（12）、立方偏振分光棱镜（8）反射之后，再经二分之一波片（7）与探测光在第二原子玻璃泡（6）中反向重叠。

9.根据权利要求6所述的一种测量原子激发态超精细能级结构的装置，其特征在于，所述分束器为一个二分之一波片和一个立方偏振分光棱镜形成的分束器。

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