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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

2021-03-24 11:31:00

   通过对原子光谱的多年研究,人们对原子内部的精细结构和超精细结构有了深入的了解,然而由于原子的热运动,引起了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能够探测原子从基态到激发态的超精细跃迁,对观测原子从激发态到更高激发态的跃迁,也有像光学双共振光谱、双共振光抽运光谱和双色偏振光谱这些技术。本文通过研究以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发展出一种新的光谱技术:双共振光抽运偏振光谱。在铯原子8S1/2-6P3/2-6S1/2能级,使用固定频率为852nm的激光作为探测光来完成实验的设计,并验证这种新技术的可行性。

 
  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,同时也对其他学科的发展有深远的意义。随着研究的不断深入,我们想要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一个新的等级,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,在生活中也有卫星定位系统、信息传输等实际应用价值。
 
  研究原子激发态光谱之后,可以了解和测量原子的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,特别是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、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,为此发展了各种光谱技术,其中之一就是饱和吸收光谱,能够清楚地表现原子基态-激发态的超精细能级结构。饱和吸收光谱能有效地消除多普勒展宽,也可以把激光频率锁定到原子特定的超精细能级跃迁上。
 
  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激发态的跃迁,研究激发态的超精细结构,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。在这里,如果使用饱和吸收光谱技术,就能够将原子由基态跃迁至激发态,为后面做激发态光谱的研究定下了实验基础。下面列出几种得到激发态光谱技术。
 
  1.2.1光学双共振光谱
 
  如图1.1所示,将两束激光L1和L2以同一方向射入样品中且重合,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,使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,得到的光谱不线性分布,背景也不平滑,信噪比不高。如果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
 
  在2004年,韩国Moon研究小组发展了一种新的激发态光谱技术,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在能级到之间共振,激光L2在中间态到激发态之间扫描。当扫描光L2满足能级间的共振条件,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,现象为对激光L1吸收降低。将L1作为探测光便可得到光谱,对应于原子激发态到的跃迁。
 
  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,在信噪比方面比OODR光谱优秀。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
 
  2012年,Kevin J.Weatherill研究小组在一个三能级原子系统,演示了获得激发态的偏振光谱---双色偏振光谱(TCPS)的方法。用一束圆偏振激光作为泵浦光,它在基态到激发态共振,将原子布居到激发态并极化,再用另一束在激发态到更高激发态扫描的线偏振光作为探测光,一旦线偏振光满足了共振条件,差分探测之后就能够得到双色偏振光谱。这种光谱使激光器可以不用频率调制即可达成锁频。
 
  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到6P3/2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,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,再用差分探测器测量,可得到一个类色散信号,即TCPS,用它可以不调制实现激光器锁频。
 
  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,学习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:如光学双共振、双共振光抽运,双色偏振光谱。在此基础上,我们要设计、实现一种新型的原子激发态光谱技术——双共振光抽运偏振光谱,它可用于激光器的无频率调制的锁定。
 
  1.4本论文的结构安排
 
  本文第一章介绍了原子激发态光谱的历史背景和物理意义,以及当前的一些获取原子激发态光谱的方法。第二章就是介绍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。
 
  第2章铯原子双共振光抽运偏振光谱
 
  通过对以前的光谱技术的研究,我们发现这些光谱都有些或多或少的缺点。为了能进一步提升光谱的分辨率,我们将双共振光抽运光谱和双色偏振光谱结合起来,发展出一种新的光谱技术:双共振光抽运偏振光谱技术。利用这种技术得到的探测结果是一个固定频率的类色散信号,反映了原子从激发态到更高激发态的跃迁,这个信号无需频率调制即可实现激光器锁频。
 
  在这篇文章中,我们基于铯原子8S1/2-6P3/2-6S1/2能级,使用固定频率为852nm的线偏振光作为探测光,用另一束圆偏振光在8S1/2-6P3/2能级间扫描。分别让这两束光同向和异向穿过铯泡,差分探测就可得到光谱。
 
  2.1实验装置和原理介绍
 
  在DROP光谱中,一旦扫描光在原子能级间共振,就会发生光抽运,固定频率的探测光就会因吸收减弱而反映扫描光的共振情况。而在TCPS光谱中,作为泵浦光的圆偏振光能够将原子介质极化,使作为探测光的线偏振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,差分探测就可得到无需频率调制即可锁频的类色散信号。我们要做的就是在铯原子8S1/2-6P3/2-6S1/2能级系统中达成上述的两个效果。
 
  如图2.1所示,固定频率为852nm的线偏振光L1在6P3/2-6S1/2能级间共振,将此激光作为探测光,圆偏振光L2在8S1/2-6P3/2能级间扫描,一旦满足共振条件(激光波长为795nm),就会将原子跃迁至高能级8S1/2,之后会因自发辐射落回至6S1/2能级,在6S1/2F=4能级的原子会重复上面的过程,而落在6S1/2F=3能级的原子不会参与上述过程,原子的分布情况改变,被抽运至6S1/2F=3,因此对L1的吸收减弱。不仅如此,圆偏振光L2会使原子介质极化,原子对L1的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量的吸收也会有不同,分光后差分探测就能得到类色散信号。
 
  a)分图a b)分图b
 
  图2.1:铯原子8S1/2-6P3/2-6S1/2能级图(a)
 
  铯原子双共振光抽运偏振光谱原理图(b)
 
  由于使用固定频率的光L1做探测光,光谱的背景平坦,光抽运发生的原因是扫描光L2使原子从6P3/2能级跃迁至8S1/2能级,因此光谱反映了原子激发态之间的跃迁。
 
  为了实现上述的设想,我们搭建光路。如图2.2,将激光L1和L2分别以异向和同向的形式射入铯泡,用偏振分光棱镜分光后用光电探测器接受信号,异向信号为PD1和PD2接受的信号做差分,同向信号为PD3和PD4接受的信号做差分。测出特色信号后,可以改变L2的功率,观察信号的线宽和幅度变化值,分析数据。
 
  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,PD为光电探测器,Cs vapor cell为铯泡,M为反射镜)
 
  2.2实验数据以及结果分析
 
  按照图2.2搭建的实验光路,我们进行了实验,成功获取了光谱图象,并选取了其中一个当激光L2功率为9mw时的信号图像作为特色图像,如图2.3,能看到一个明显的类色散信号,而且背景很平滑,可以认为实验成功的达到了我们的要求。图2.3是已经经过处理的图像,横坐标轴已经由时间转化为频率,这里我们通过一个预先测好的铯原子8S1/2-6P3/2-6S1/2能级谱线图作为衡量频率与时间关系的标尺,将某处设为零点(本文中取了8S1/2 F’’=3跃迁至8S1/2 F’’=4所对应的频率为零点),通过比例关系将时间换算为频率。
 
  a)分图a b)分图b
 
  图2.3:铯原子双共振光抽运偏振光谱,a为激光L1与L2反向,b为激光L1与L2同向
 
  我们进行实验的下一步:改变扫描光的功率,观察光谱的线宽与幅度随功率的变化。从图2.4中可以看到,随着扫描光L2功率的逐渐增加,光谱的线宽也在增加,虽然中间有起伏,但大致是呈现一个正相关,而且当852nm的探测光L1与扫描光L2同向时,功率为0时的线宽和线宽增长程度都要大于激光反向时。
 
  图2.4:铯原子双共振光抽运偏振光谱的线宽随扫描光L2变化的关系图
 
  从图2.5中,我们看到随着扫描光L2的功率增加,幅度同样也在增加,当852nm的探测光L1与扫描光L2反向时,幅度的增值要大于激光同向时。从图2.4和图2.5可以看出,激光L1与L2方向是否相同会影响到光谱的线宽和幅度,这个现象与量子相干效应有关。