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论文写作模式-铯原子双共振光抽运偏振光谱实验研究

2021-03-26 13:04:08

  通过对原子光谱的研究,人们对原子的精细结构和超精细结构有了深入的了解,然而由于原子热运动引起了的多普勒效应限制了光谱的分辨率。为了消除多普勒展宽而发展的饱和吸收谱、偏振光谱等技术,其能够探测原子从基态到激发态的超精细跃迁光谱。对观测原子从激发态到更高激发态超精细跃迁的光谱,目前常见的光谱技术有光学双共振光谱、双共振光抽运光谱和双色偏振光谱等技术。本文通过研究之前的原子激发态光谱技术,结合了双共振光抽运光谱和双色偏振光谱的优点发展出一种新型的原子激发态光谱技术——双共振光抽运偏振光谱:基于铯原子6S1/2-6P3/2-8S1/2阶梯型能级,使用波长为852.3 nm的线偏振激光作为探测光,其频率共振于原子6S1/2-6P3/2的某一超精细跃迁线;波长为794.6 nm圆偏振激光作为耦合光,其频率在激发态6P3/2-8S1/2之间扫描,便可获得这种新型的激发态光谱。进一步实验测量、分析了激光功率对双共振光抽运偏振光谱线宽、幅度的影响,它可用于将一个激光器无频率调制地锁定到原子激发态的超精细跃迁跃迁线上。

  1.1原子激发态光谱的背景和意义

  原子光谱经过了多年的发展,对人们了解原子的精细、超精细结构起了重大的作用,同时也对其他相关学科的发展有深远的意义如原子钟,光纤通讯等。随着研究的不断深入,科学家一直致力于得到更高分辨率的光谱。激光出现后,由于激光具有窄线宽的优点,光谱的分辨率提高到了几个新的量级,也促进了量子光学、冷原子物理的发展,让人们更深入认知微观世界,也在卫星定位系统性能的改善、信息传输等方面具有实际应用价值。

  研究原子激发态光谱,可以了解和测量原子的激发态超精细能级结构,和对相关理论的检验、以及将激发态的光谱作为一个频率标准用于激光器的频率稳定,特别在光纤通讯波段的频率锁定具有重要的应用价值;此外也可用于原子的激光冷却与俘获、菱形能级的四波混频等诸多实验。

  1.2获取原子激发态光谱的主要方法和研究进展

  一般在研究原子光谱时都是采用原子气体样品,但由于原子的热运动所引起的多普勒效应限制了原子光谱的分辨率。为此,人们发展了多种能有效地消除多普勒展宽的光谱技术,如偏振光谱、饱和吸收光谱等,能够清楚地显示原子基态-激发态的超精细能级结构,它们可以把激光器频率锁定到原子基态到激发态的超精细能级跃迁线上。

  饱和吸收光谱是探测原子从基态到激发态的超精细跃迁,但人们同样希望能观测到原子从激发态到更高激发态的跃迁光谱,研究激发态的超精细能级结构,因此需要更高精度的原子激发态的光谱。原子通常处于基态,所以若想获得原子激发态之间跃迁的光谱,常先用一束特定频率的激光将原子由基态激发到中间激发态,然后再用另一束激光使原子从中间激发态跃迁到更高激发态。在本文,使用饱和吸收光谱技术将激光频率锁定后,能够有效地将原子由基态激发到中间激发态,为后面获得中间激发态-更高激发态超精细跃迁光谱奠定了实验基础。下面介绍几种得到激发态光谱的技术。

  1.2.1光学双共振光谱(OODR)

  如图1.1所示,将两束激光L1和L2射入样品中且光束空间重合,特定频率的激光L1在基态到中间态跃迁之间共振,将基态原子布居到中间态上。此时,用激光L2在原子的中间态和激发态之间进行频率扫描,L2做为探测光便可得到激发态光谱。这种双共振的方法最早是由Kastler在1966年提出,后面延伸到光-光双共振光谱。由于探测光L2是频率扫描光,激光器功率起伏,得到的光谱背景也起伏分布,背景也不平滑。特别对于自发辐射衰减率比较大的原子系统,由于中间态不容易布居原子,导致光学双共振光谱信噪比不高。使用此光谱锁定激光器频率,还需要对激光器进行频率调制,然后用锁相放大器解调出微分信号锁频。

  图1.1:光学双共振光谱(OODR)原理示意图

  1.2.2双共振光抽运光谱(DROP)

  在2004年,韩国Moon研究小组发展了一种激发态光谱技术,他们基于一个五能级原子模型,原理如图1.2,其中包含基态的两个超精细能级和、中间态的两个超精细能级和、一个激发态能级。有一束固定频率的激光L1,作为探测光,其频率在能级到之间共振;激光L2作为耦合光,其频率在中间态到激发态之间扫描。当耦合光L2满足超精细能级间的共振条件,位于基态的原子被激光L1和L2激发到激发态,之后通过自发辐射跃迁至和,在能级的原子继续自发辐射至和,在能级的原子一部分会再次通过激光L2跃迁至激发态能级然后重复上述过程,另一部分会自发辐射至和。最后,到达基态能级的原子会重复上面的过程,而到达基态能级的原子不再发生跃迁。总的来看这个过程,原本处于基态的原子会不断地被送往基态,上的原子布居数会不断降低,导致原子对激光L1吸收降低。此时,将L1作为探测光便可得一个吸收减弱的信号峰,其对应于原子激发态到的跃迁,即DPOR光谱。

  由于使用的探测光L1是固定频率的,DPOR光谱并不会出现OODR实验中因探测光扫描致使谱线背景不平坦的问题,而且由于DPOR光谱是通过探测基态原子布居数的变化(由于双光子光抽运效应)而得到的,因此对于一些原子激发态的跃迁谱线,在信噪比方面较OODR光谱好。但是用DPOR光谱对激光器稳频,同OODR光谱一样,依然需要频率调制,然后用锁相放大器解调出微分信号。

  图1.2:双共振光抽运光谱(DROP)原理示意图

  1.2.3双色偏振光谱(TCPS)

  2012年,Kevin J.Weatherill研究小组在一个三能级原子系统,实验演示了获得激发态的偏振光谱---双色偏振光谱(TCPS)技术。先用一束圆偏振激光作为泵浦光,它在基态到中间激发态之间共振,将原子布居到中间激发态并极化。然后再用另一束在中间激发态到更高激发态频率扫描的线偏振光作为探测光,一旦线偏振光与原子能级共振,经过原子样品后,差分探测就能够得到TCPS。

  图1.3:双色偏振光谱(TCPS)原理示意图

  以铯原子为例说明:如图1.3,在铯原子6S1/2-6P3/2-8S1/2能级中,将一束有特定频率的圆偏振光作为泵浦光在6S1/2 F=4到6P3/2 F’=5之间共振,另外一束线偏振光作为探测光在6P3/2到8S1/2之间扫描,线偏振光看作是左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的组合。圆偏振光将原子布居到中间态6P3/2F’=5,并且使原子介质极化,探测光中的左、右旋圆偏振光组分在极化的原子介质中吸收和折射率(传播速度)都各不相同,这样造成的后果是它们经过原子样品后,合成的线偏振光偏振方向发生改变。然后用偏振分光棱镜和波片将线偏振光的两个圆偏振分量分开,进入差分探测器测量,可得到一个类色散的光谱信号,即TCPS。这种光谱可用于无频率调制地将激光器频率锁于原子激发态的超精能级细跃迁线上。

  1.3本论文的主要内容

  在本毕业设计中,我们基于原子能级结构和光谱的相关知识,介绍了目前获得原子激发态超精细跃迁光谱的几种常见实验技术:光学双共振、双共振光抽运,双色偏振光谱。在此基础上,我们设计、实现了一种新型的原子激发态光谱技术——双共振光抽运偏振光谱,并测量了探测光、泵浦光功率对该光谱线宽、幅度的影响,它可帮助我们在优化的参数下,将该光谱用于激光器的无频率调制锁定。

  1.4本论文的结构安排

  论文第一章介绍了原子激发态光谱研究的历史背景和意义,以及当前的一些获取原子激发态光谱的技术;第二章就是介绍了本文提出的新型原子激发态光谱技术——双共振光抽运偏振光谱,以及完成它的实验装置和数据测量,分析,以及总结。

  第2章铯原子双共振光抽运偏振光谱

  通过对前述光谱技术的研究,我们发现这些光谱技术各有优缺点。为了能进一步提升光谱的信噪比,我们将双共振光抽运光谱和双色偏振光谱技术结合起来,发展了一种新的光谱技术——双共振光抽运偏振光谱技术。利用这种技术得到的激发态光谱,是一个类色散线形的信号,且光谱拥有平坦的背景,反映了原子从激发态到更高激发态跃迁的超精细能级分裂结构,可用于激光器的无频率调制锁定。

  2.1实验装置和原理介绍

  在DROP光谱中,耦合光扫描到中间激发态-更高激发态超精细跃迁能级共振位置时,就会发生双光子光抽运,使得原子样品对固定频率的探测光(工作于基态-中间激发态)吸收减弱而反映原子激发态的能级超精细分裂结构。这种DROP光谱技术,由于探测光频率固定,因此所获得的激发态DROP拥有极为平坦的光谱背景,信噪比较高,但其用于激光锁频需要频率调制。而在双色偏振光谱TCPS中,作为泵浦光(工作于基态-中间激发态)的圆偏振光能够将原子从基态激发到中间激发态,并使原子介质极化,使线偏振的探测光的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量的吸收和折射率不同,差分探测就可得一个类色散信号,它的优点是可用于激光器的无频率调制锁定,但由于探测光在中间激发态-更高激发态之间频率扫描,使得TCPS光谱背景并不态平坦,制约了光谱信噪比的提高。我们基于铯原子8S1/2-6P3/2-6S1/2能级系统,将以上两种光谱技术结合起来,充分利用了各自的优点,具体实现过程如下:

  (a)(b)

  图2.1:与实验相关的铯原子8S1/2-6P3/2-6S1/2超精细能级图(a)

  铯原子双共振光抽运偏振光谱原理图(b)

  与实验相关的铯原子6S1/2-6P3/2-8S1/2超精细能级如图2.1(a)所示,激发态6P3/2、8S1/2的自然线宽分别为5.2 MHz、2.18 MHz。波长为852.3 nm的线偏振光L1通过饱和吸收光谱将其频率缩于6P3/2 F’=5-6S1/2 F=4跃迁线上,将此激光作为探测光,它将原子由基态激发布居到中间激发态上6P3/2 F’=5。波长为794.6 nm圆偏振激光L2,作为耦合光在8S1/2-6P3/2能级间扫描,当满足双光子共振条件时,就会将原子进一步激发到高能级8S1/2,同时使得处于中间激发态6P3/2 F’=5各塞曼子能级上的原子布居不均匀分布,及极化。之后处于激发态8S1/2的原子有一定的概率因自发辐射经中间激发态落回至基态6S1/2能级的另一个超精细子能级,这个过程于DROP光谱中双光子光抽运一样,如图2.1(b)所示。此时,通过线偏振的探测光差分探测极化的原子样品,即可得到一个类色散的偏振光谱信号,但其频率不扫描,因此该光谱拥有像DROP一样平坦的光谱背景,即提高了激发态光谱的信噪比,又可以用于激光器的无频率调制锁定。我们称该光谱为双共振光抽运偏振光谱(DROP-PS)。

  图2.2:铯原子双共振光抽运偏振光谱实验装置图(PBS为偏振分光棱镜、PS为分光棱镜、PD为光电探测器、Cs vapor cell为铯泡,M为反射镜,DF为双色镜)

  在阶梯型能级的原子与两光场相互作用中,常常存在量子相干效应。为了进一步研究相干效应对这种双共振光抽运偏振光谱的影响,我们让线偏振的探测光束与圆偏振的耦合光束通过双色镜DF分别同向、反向重叠于铯泡(长75mm,直径25mm)中,如图2.2。探测激光L1经过铯泡之后,再经过DF与耦合光分离,进入由半波片和偏振分光棱镜组成的分光系统差分探测,反向实验构型的DROP-PS信号为PD1和PD2信号做差分,同向实验构型的DROP-PS为PD3和PD4信号做差分。

  2.2实验数据以及结果分析

  线偏振的L1探测光共振于铯原子6P3/2 F’=5-6S1/2 F=4跃迁线上,圆偏振的L2耦合光在8S1/2-6P3/2能级之间频率扫描。探测光功率设定为~100μW,耦合光功率为~9 mW,得到的典型DROP-PS信号如图2.3所示:(a)为激光L1与L2反向的实验构型,(b)为激光L1与L2同向的实验构型。图2.3是已经经过数据处理的图像,横坐标轴已经由时间转化为频率,这是通过铯原子8S1/2-6P3/2-6S1/2能级光谱图(激发态8S1/2超精细分裂的频率间隔)作为频率与时间关系的比例标尺,将某处设为零失谐点(本文选取6P3/2 F’=5-8S1/2 F’’=4跃迁线),通过比例关系将时间换算为频率。从图2.3中可以清晰看出,反向实验构型的DROP-PS信号较同向时的DROP-PS信号线宽要窄,且信号幅度较大。

  (a)(b)

  图2.3:铯原子双共振光抽运偏振光谱DROP-PS:(a)为激光L1与L2

  反向的实验构型,(b)为激光L1与L2同向的实验构型

  为了在优化的实验参数下,将双共振光抽运偏振光谱DROP-PS用于L2激光器的无频率调制锁频,测量了DROP-PS光谱线形随耦合光L2功率的演化。探测光L1功率设定为~100μW,耦合光L2功率范围为0.03 mW~10.00 mW,得到DROP-PS光谱线宽、幅度随耦合光L2功率变化如图2.4和2.5所示,红色曲线为同向实验构型的结果,黑色曲线为反向实验构型的结果。详细数据见附录中:表1和表2。

  图2.4:铯原子双共振光抽运偏振光谱的线宽随耦合光L2功率的变化

  图2.5:铯原子双共振光抽运偏振光谱的幅度随耦合光L2功率变化

  随着耦合光L2功率的增加,同向、反向实验构型的DROP-PS光谱幅度非线性增加,且最终趋于饱和,如2.5所示。对于反向实验构型,DROP-PS光谱线宽增长极为缓慢,耦合光L2功率从~0.03 mW增加到~10.00 mW,其线宽仅仅从~2.7 MHz增加到~12.3 MHz;然而,在相同的实验条件下,同向实验构型的DROP-PS光谱线宽从~13.7 MHz增加到~31.5 MHz,如2.5所示。同、反向DROP-PS线宽具有明显的差异,这是由于在一个阶梯型原子系统与两光场相互作用,当探测光与耦合光反向作用于室温下气室中的原子样品,其是一个Dopple-free的实验构型,常常存在电磁感应透明量子相干效应,致使反向DROP-PS线宽较窄,且信号幅度较大;而对于同向实验构型,主要是双光子光抽运效应对DROP-PS光谱有贡献,其常常伴有自发辐射过程,是一个量子非相干过程,因此导致DROP-PS线宽较宽。实验上,获得的最窄DROP-PS线宽为~2.7 MHz,这接近于原子激发态的自然线宽(激发态6P3/2、8S1/2的自然线宽分别为5.2 MHz、2.18 MHz。),窄线宽的谱线,对于激光稳频具有重要的意义。