V型能級(jí)結(jié)構(gòu)原子的速度轉(zhuǎn)移激光光譜測量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種V型能級(jí)結(jié)構(gòu)原子的速度轉(zhuǎn)移激光光譜測量裝置和方法，該裝置的第一激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第一二向色鏡時(shí)分為兩束，一束依次透射過第一二向色鏡和第二二向色鏡，最后到達(dá)第一光電探測器；另一束由第一二向色鏡反射產(chǎn)生再經(jīng)過全反射鏡反射后到達(dá)第二光電探測器；所述的第二激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第二二向色鏡反射后沿著第一激光器發(fā)出激光的光路到達(dá)第一二向色鏡；在全反射鏡射向第二光電探測器的光路上設(shè)置自然態(tài)的被測原子樣品，在第一二向色鏡、第二二向色鏡之間的光路上設(shè)置純同位素的被測原子樣品。本發(fā)明測出的光譜具有亞多普勒的特征，吸收譜中無交叉峰，能將高、低激發(fā)態(tài)原子譜同時(shí)測量出來。
【專利說明】V型能級(jí)結(jié)構(gòu)原子的速度轉(zhuǎn)移激光光譜測量裝置及方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光光譜和激光穩(wěn)頻【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種V型能級(jí)結(jié)構(gòu)原子的速度轉(zhuǎn)移激光光譜測量實(shí)現(xiàn)方法，可應(yīng)用于多波長激光穩(wěn)頻。
【背景技術(shù)】
[0002]目前的激光光譜和激光穩(wěn)頻【技術(shù)領(lǐng)域】，常用原子飽和吸收激光光譜、原子偏振極化譜、塞曼外磁場調(diào)制譜等技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行原子能級(jí)結(jié)構(gòu)的高精密測量、激光穩(wěn)頻等應(yīng)用。具體就是利用光電探測器收集到原子、分子或離子等各種介質(zhì)與激光相應(yīng)的量子躍遷能級(jí)間對外界激光相應(yīng)的波長的吸收譜信號(hào)，記錄數(shù)據(jù)得到。
[0003]在激光頻率穩(wěn)定和鎖定的應(yīng)用上，將測量到的誤差電信號(hào)，通過電放大和濾波，驅(qū)動(dòng)激光器電子線路的頻率控制反饋單元。所述頻率控制反饋單元主要包括激光器的電流源、控制激光腔長的壓電陶瓷電壓。
[0004]對于V型能級(jí)結(jié)構(gòu)的原子，一般都是利用多普勒譜或飽和吸收譜來實(shí)現(xiàn)譜的測量，這樣的技術(shù)對于振子強(qiáng)度很低的能級(jí)信號(hào)非常微弱，直接測量的信噪比往往較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:針對上述現(xiàn)有技術(shù)中利用多普勒譜或飽和吸收譜測量V型能級(jí)結(jié)構(gòu)原子的激光光譜信噪比太低，提供一種V型能級(jí)結(jié)構(gòu)原子的速度轉(zhuǎn)移激光光譜測量裝置。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種V型能級(jí)結(jié)構(gòu)原子的速度轉(zhuǎn)移激光光譜測量裝置，包括有第一激光器、第二激光器，第一二向色鏡、第二二向色鏡、第一光電探測器、第二光電探測器和一個(gè)全反射鏡；所述的第一激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第一二向色鏡時(shí)分為兩束，一束依次透射過`第一二向色鏡和第二二向色鏡，最后到達(dá)第一光電探測器；另一束由第一二向色鏡反射產(chǎn)生再經(jīng)過全反射鏡反射后到達(dá)第二光電探測器；所述的第二激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第二二向色鏡反射后沿著第一激光器發(fā)出激光的光路到達(dá)第一二向色鏡；在全反射鏡射向第二光電探測器的光路上設(shè)置自然態(tài)的被測原子樣品，在第一二向色鏡、第二二向色鏡之間的光路上設(shè)置純同位素的被測原子樣品。
[0007]作為優(yōu)選方案:所述的第一激光器為780nm外腔半導(dǎo)體激光器，功率為20uW，所述的第二激光器為420nm外腔半導(dǎo)體激光器，功率為8mW，所述的第一激光器、第二激光器光束直徑為2mm，線寬小于1MHz，連續(xù)調(diào)諧大于IOGHz ;所述的第一二向色鏡、第二二向色鏡均為 HT780nm，HR420nm 型二向色鏡。
[0008]作為優(yōu)選方案:所述的自然態(tài)的被測原子樣品為包含自然成分85Rb和87Rb的銣原子蒸汽泡；所述的純同位素的被測原子樣品為僅包含純87Rb的銣原子蒸汽泡。
[0009]本發(fā)明還提供一種采用上述裝置測量V型能級(jí)結(jié)構(gòu)原子的速度轉(zhuǎn)移激光光譜的方法，包括以下步驟:
①第二激光器發(fā)出激光與純同位素的被測原子樣品高激發(fā)態(tài)弱振子強(qiáng)度躍遷線頻率對應(yīng)，搭建成傳統(tǒng)飽和吸收譜的空間架構(gòu)；
②第一激光器發(fā)出激光與純同位素的被測原子樣品中低激發(fā)態(tài)躍遷線頻率對應(yīng)，第一激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第一二向色鏡時(shí)分為兩束，一束經(jīng)全反射鏡反射到自然態(tài)的被測原子樣品中，與自然態(tài)的被測原子樣品相互作用后被第二光電探測器接收，接收到的吸收譜用作頻率標(biāo)定；另一束作為探測光，經(jīng)第一二向色鏡透射，經(jīng)過純同位素的被測原子樣品時(shí)，與反向射來的第二激光器的泵浦激光共同與純同位素的被測原子樣品相互作用，穿過第二二向色鏡，被第一光電探測器接收。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明利用了兩個(gè)不同波長激光器分別與V型能級(jí)結(jié)構(gòu)的原子高激發(fā)態(tài)弱振子強(qiáng)度躍遷線、以及低激發(fā)態(tài)躍遷線頻率對應(yīng)，激發(fā)高激發(fā)態(tài)的激光其頻率穩(wěn)定可調(diào)，但不需要飽和譜那樣掃頻。與低激發(fā)態(tài)對應(yīng)激光用作探測光，通過原子樣品后由光電探測器記錄數(shù)據(jù)。
[0011]本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的原子速度轉(zhuǎn)移激光光譜測量具有亞多普勒的特征，而且可以消除傳統(tǒng)飽和吸收譜中的多余交叉峰，并且能夠?qū)⒌图ぐl(fā)態(tài)和高激發(fā)態(tài)原子譜同時(shí)測量出來。
[0012]基于本發(fā)明的V型能級(jí)結(jié)構(gòu)原子、分子、離子能級(jí)躍遷的速度轉(zhuǎn)移激光譜非常有特色，與已有的各種光譜技術(shù)都不同，可以應(yīng)用于多波長激光穩(wěn)頻，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0013]本發(fā)明適用于銣原子、銫原子等堿金屬原子等對應(yīng)的基態(tài)與第一、第二激發(fā)態(tài)之間的躍遷能級(jí)來實(shí)現(xiàn)V型能級(jí)結(jié)構(gòu)原子的速度轉(zhuǎn)移激光光譜，也適用于堿土金屬鈣、鍶等原子來實(shí)現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明V型能級(jí)結(jié)構(gòu)原子的速度轉(zhuǎn)移激光光譜測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是應(yīng)用本發(fā)明實(shí)施例的V型能級(jí)結(jié)構(gòu)原子的速度轉(zhuǎn)移激光光譜實(shí)施效果示意圖。
[0016]圖1中:1、第一激光器；2、第一二向色鏡；3、純87Rb的銣原子蒸汽泡；4、第二二向色鏡；5、第二激光器；6、第一光電探測器；7、全反射鏡；8、包含自然成分85Rb和87Rb的銣原子蒸汽泡；9、第二光電探測器。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面通過結(jié)合附圖，對本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步說明。
[0018]實(shí)施例1
圖1所示，本實(shí)施例所述的一種V型能級(jí)結(jié)構(gòu)原子的速度轉(zhuǎn)移激光光譜測量裝置，包括有第一激光器1、第二激光器5,第一二向色鏡2、第二二向色鏡4、第一光電探測器6、第二光電探測器9和一個(gè)全反射鏡7 ;所述的第一激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第一二向色鏡時(shí)分為兩束,一束依次透射過第一二向色鏡和第二二向色鏡，最后到達(dá)第一光電探測器；另一束由第一二向色鏡反射產(chǎn)生再經(jīng)過全反射鏡反射后到達(dá)第二光電探測器；所述的第二激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第二二向色鏡反射后沿著第一激光器發(fā)出激光的光路到達(dá)第一二向色鏡；在全反射鏡射向第二光電探測器的光路上設(shè)置包含自然成分85Rb和87Rb的銣原子蒸汽泡8，在第一二向色鏡、第二二向色鏡之間的光路上設(shè)置僅包含純87Rb的銣原子蒸汽泡3。所述的第一二向色鏡、第二二向色鏡與第一激光器發(fā)出激光呈45度夾角，第二二向色鏡與第二激光器發(fā)出激光呈45度夾角。
[0019]所述的第一激光器為780nm外腔半導(dǎo)體激光器，功率為20uW，所述的第二激光器為420nm外腔半導(dǎo)體激光器，功率為8mW,所述的第一激光器、第二激光器光束直徑為2mm,線寬小于1MHz，連續(xù)調(diào)諧大于IOGHz ;所述的第一二向色鏡、第二二向色鏡均為HT780nm，HR420nm型二向色鏡，即對第一激光器發(fā)出的780nm波長的激光具有高透射性，對第二激光器發(fā)出的420nm波長的激光具有高反射性。
[0020]上述兩個(gè)激光器帶各自驅(qū)動(dòng)電流、溫度控制、壓電掃描控制電路，以及用于檢測的探測器等。
[0021]所述的第二激光器5作為泵浦光源，將頻率鎖定在52S1/2，F(xiàn)=3 — 62P3/2，F(xiàn)’=3 ;第一激光器I作為探測光源和頻率參考。第一激光器發(fā)出的780nm激光經(jīng)二向色鏡分成兩束，一束經(jīng)全反射鏡7反射到包含自然成分85Rb和87Rb的銣原子蒸汽泡8中，與銣原子相互作用后被第二光電探測器9接收，接收到的吸收譜用作頻率標(biāo)定；另一束作為探測光經(jīng)第一二向色鏡2透射，經(jīng)過純87Rb的銣原子蒸汽泡時(shí)，與反向射來的第二激光器發(fā)出的420nm泵浦激光共同與87Rb原子相互作用，穿過第二二向色鏡4，被第一光電探測器6接收。
[0022]所述包含自然成分85Rb和87Rb的銣原子蒸汽泡8，以及純87Rb的銣原子蒸汽泡3銣原子泡的長度均為5cm，直徑2.5cm。
[0023]圖2為V型能級(jí)結(jié)構(gòu)原子的速度轉(zhuǎn)移激光光譜實(shí)施效果圖。其中橫坐標(biāo)是對應(yīng)的測量激光頻率，縱坐標(biāo)是測量激光透射率；圖2的(a)部表示420nm泵浦光的頻率鎖定在52S1/2，F(xiàn)=3 — 62P3/2，F(xiàn)’ =3的躍遷線上，銣泡中在激光傳輸方向上速度分量為零的原子就被布居到62P3/2，F(xiàn)’=3 態(tài)上。與此同時(shí)，考慮多普勒效應(yīng)的影響，根據(jù)公式Y(jié) = Y0 (1-v/c)，速度分量為8.7和16.7m/s的原子也被泵浦到激發(fā)態(tài)62P3/2上。然而，這些速度分量的原子對于780nm探測光來說，根據(jù)多普勒效應(yīng)Y = ^ (l_v/c)，理論計(jì)算得失諧量為11.2和21.3MHz，實(shí)驗(yàn)上探測值為11.5和21.1MHz0同時(shí)，780nm探測光本身對銣原子的泵浦作用，表現(xiàn)在圖上有52P3/2三個(gè)超精細(xì)能級(jí)。因此，兩個(gè)激發(fā)態(tài)之間的超精細(xì)光譜相對位置同時(shí)出現(xiàn)在光電探測器探測到的信號(hào)中，且無多余交叉峰。本發(fā)明可以同時(shí)測量兩個(gè)不同頻率能級(jí)的光譜，可以用于不同波長激光同時(shí)鎖頻。
[0024]圖2的(b)部表示780nm激光的飽和吸收譜作為參考光，用作頻率標(biāo)定。
[0025]必須注意，上述的V型能級(jí)結(jié)構(gòu)原子的速度轉(zhuǎn)移激光光譜測量方法與傳統(tǒng)的飽和吸收譜具有本質(zhì)的區(qū)別，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的飽和吸收譜對于弱振子強(qiáng)度躍遷信號(hào)很弱，在多普勒展寬頻率范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)多余的交叉譜線，在具體的激光穩(wěn)頻應(yīng)用上反而不利。本發(fā)明的特色是，在V型能級(jí)結(jié)構(gòu)原子上實(shí)現(xiàn)速度轉(zhuǎn)移激光光譜測量，將弱振子強(qiáng)度躍遷的譜信息通過原子的速度轉(zhuǎn)移效應(yīng)，在高振子強(qiáng)度的低激發(fā)態(tài)的激光譜上顯示出來。并且，這樣的譜線同時(shí)包含V型能級(jí)結(jié)構(gòu)原子的弱振子強(qiáng)度躍遷的譜與高振子強(qiáng)度的低發(fā)態(tài)譜，又沒有多余的交叉線。
[0026]因此，非常明確，本發(fā)明中所述的速度轉(zhuǎn)移激光光譜技術(shù)在原子譜線的精密測量和激光穩(wěn)頻應(yīng)用上具有很好的前景。
[0027]實(shí)施例2
本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于:將所述的包含自然成分85Rb和87Rb的銣原子蒸汽泡8替換為僅包含85Rb或87Rb的銣原子蒸汽泡，同樣能實(shí)現(xiàn)頻率標(biāo)定的功能。[0028]上述具體的發(fā)明實(shí)施例僅是為了說明本發(fā)明的基本工作原理，而非用于限制本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或同等替換，并不能使修改后的技術(shù)方案脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神與范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種V型能級(jí)結(jié)構(gòu)原子的速度轉(zhuǎn)移激光光譜測量裝置，其特征在于:包括有第一激光器、第二激光器，第一二向色鏡、第二二向色鏡、第一光電探測器、第二光電探測器和一個(gè)全反射鏡；所述的第一激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第一二向色鏡時(shí)分為兩束，一束依次透射過第一二向色鏡和第二二向色鏡，最后到達(dá)第一光電探測器；另一束由第一二向色鏡反射產(chǎn)生再經(jīng)過全反射鏡反射后到達(dá)第二光電探測器；所述的第二激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第二二向色鏡反射后沿著第一激光器發(fā)出激光的光路到達(dá)第一二向色鏡；在全反射鏡射向第二光電探測器的光路上設(shè)置自然態(tài)的被測原子樣品，在第一二向色鏡、第二二向色鏡之間的光路上設(shè)置純同位素的被測原子樣品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述的自然態(tài)的被測原子樣品替換為純同位素的被測原子樣品。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:所述的第一激光器為780nm外腔半導(dǎo)體激光器，功率為20uW，所述的第二激光器為420nm外腔半導(dǎo)體激光器，功率為8mW，所述的第一激光器、第二激光器光束直徑為2_，線寬小于1MHz，連續(xù)調(diào)諧大于IOGHz ;所述的第一二向色鏡、第二二向色鏡均為HT780nm，HR420nm型二向色鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的裝置，其特征在于:所述的自然態(tài)的被測原子樣品為包含自然成分85Rb和87Rb的銣原子蒸汽泡；所述的純同位素的被測原子樣品為僅包含純87Rb的銣原子蒸汽泡。
5.一種采用權(quán)利要求1所述裝置測量V型能級(jí)結(jié)構(gòu)原子的速度轉(zhuǎn)移激光光譜的方法，其特征在于包括以下步驟: ①第二激光器發(fā)出激光與純同位素的被測原子樣品高激發(fā)態(tài)弱振子強(qiáng)度躍遷線頻率對應(yīng)，搭建成傳統(tǒng)飽和吸收譜的空間架構(gòu)； ②第一激光器發(fā)出激光與純同位素的被測原子樣品中低激發(fā)態(tài)躍遷線頻率對應(yīng)，第一激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第一二向色鏡時(shí)分為兩束，一束經(jīng)全反射鏡反射到自然態(tài)的被測原子樣品中，與自然態(tài)的被測原子樣品相互作用后被第二光電探測器接收，接收到的吸收譜用作頻率標(biāo)定；另一束作為探測光，經(jīng)第一二向色鏡透射，經(jīng)過純同位素的被測原子樣品時(shí)，與反向射來的第二激光器的泵浦激光共同與純同位素的被測原子樣品相互作用，穿過第二二向色鏡，被第一光電探測器接收。
【文檔編號(hào)】G01N21/39GK103760135SQ201310751269
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】凌俐, 畢崗 申請人:浙江大學(xué)城市學(xué)院