激光冷却获得高亮度的亚稳态惰性气体原子束和原子阱

高强度的亚稳态惰性原子束流在原子分子物理实验研究中具有广泛的应用.使用射频电离方法和激光横向冷却技术制备了高强度的亚稳态氪原子束流,并使用数值模拟方法对横向冷却激光场中的原子径迹进行了分析.通过激光诱导荧光光谱方法测量原子束的束流特性,结果显示,横向冷却后在束流源下游230 cm处的原子束流强度达1.6atoms/(s*sr),束流强度提高了两个量级.利用这种高强度原子束流,我们成功囚禁了1.3×10¹⁰个亚稳态⁸⁴Kr原子,同时冷原子装载速率达到了3.0×10¹¹atoms/s;并利用该装置成功地实现了高亮度的亚稳态氩原子束和原子阱. 关键词： 横向冷却 原子束 原子阱 惰性气体     

用激光感生荧光法测量亚稳态原子寿命

本文用激光感生荧光法(LIF)分析了Gd原子亚稳态能级215cm~(-1),533cm~(-1),999cm~(-1)在原子束中的速度分布。由原子束轴线上两不同点上的亚稳态原子速度分布的变化得到了亚稳态原子的寿命。理论分析和实验结果表明这是一种简单、灵敏并且有效的亚稳态原子寿命测量方法。     

钇原子亚稳态寿命的测量

利用基态原子无穷长的寿命以及亚稳态原子在飞行过程中的衰减,比较由激光感应荧光法测量到的钇原子束基态和亚稳态的速度分布曲线,经过拟合处理计算,得到钇原子亚稳态a~2D_(5/2)的寿命为(0.8±0.2)ms.     

利用激光冷却原子束测量氦原子精密光谱

⁴He原子2³S₁→2³P_0,1,2跃迁的精细结构分裂,目前在理论和实验上都能够达到10^-8水平的精度,并可被应用于测定精细结构常数α, 和对量子电动力学进行检验.该方面实验研究的关键, 是需要提高测量信噪比,并消除各种可能的系统偏差, 将这一精细结构分裂测量到亚kHz水平.在设计的这套实验方案中, 首次结合激光冷却原子技术,通过激光横向冷却来提高亚稳态氦原子束的束流强度,并对三态亚稳态氦原子进行偏折, 将其从原子束中分离,从而大幅降低测量背景,并利用频率锁定激光器的边带扫描的方式来进行光谱测量,以使得扫描测量中保持足够的频率精度. 在目前基本搭建成的实验装置上,实验方法的可行性已经获得验证,分析表明有望实现亚千赫兹水平的测量准确度.     

利用飞行时间法测定锶原子5s5p3P1亚稳态能级寿命

本文结合TOF法和吸收光谱测量技术,利用连续光场测定了锶原子亚稳态能级的寿命。实验中,利用689nm激光连续泵浦基态锶原子至5s5p3P1亚稳态能级,然后在距泵浦区域不同距离处观测处于5s5p3P1态的原子对688nm探测光的吸收强度,得到锶原子5s5p3P1态的能级寿命,我们利用TOF法实验得到的能级寿命为21.9±0.8μs。本文给出的方法具备实验装置简单的优点,同时可获得较高的测量精度。     

10-2～105 Pa气压范围的氦等离子体光谱分析

采用三种实验装置(介质阻挡放电装置、空心阴极放电装置和彭宁放电装置)分别测量了不同压强范围内氦等离子体的发射光谱.通过对氦等离子体发射光谱的分析,已观察到一个共同的特点,就是在三种放电条件下产生的氦等离子体中31P1→21S0的谱线强度总是最强,可以推测亚稳态氦原子的含量相当显著,但不同的装置也有不同的特点,介质阻挡放电装置能够产生准辉光放电,谱线中氦原子的谱线强度很低,而空心阴极放电与彭宁放电装置能够产生稳定均匀的等离子体,且发射足够强的光辐射.我们已对所拍摄的光谱的谱线都进行了辨认,所有结果表明原子发射光谱分析法是研究不同条件下氦等离子体状态的一种十分有效的手段.     

里德伯常数的最新实验值

耶鲁大学Amin等采用原子束-激光束交叉光谱法测量了氢和氖原子的Balmer-a跃迁(2s-3p)的波长[1].交叉束可以克服气体放电中气压和电流对测量的影响,他们精确地测量了单光子线性跃迁的波长,得到了目前最精确的里德伯常数值、玫态的精细结构分裂和氢与氚的同位素移位. 他们使用的实验装置与测量兰姆移位的装置类似.氢原子由2850K的钨炉飞出,经电子轰击至2s亚稳态,准直后散角为1.25土0.15毫弧度.一低功率的可调谐连续染料激光器产生的激光束与氢原子束成直角交叉.由原子束最后打在镍板上产生的二次电子发射来检测处于亚稳态的原子. 实验最关键…     

利用Doppler测速法实现小发散角锶原子速度分布的测量

锶光钟小型化系统中,利用Doppler测速法对小发散角锶原子的速度分布进行了测量。从锶炉喷出原子束的最可几速率为440 m/s,经过永磁体塞曼减速器减速后原子的速度最低可降低至80 m/s。验证了在原子行进过程中设置的减速磁场即永磁体塞曼减速器,能够对原子进行有效减速,进而提高俘获冷原子的数目。实验中采用的Doppler测速法装置简单,易于操作,可直接探测原子束的速度分布曲线。     

高通量冷原子束流的实现与测量

我们在实验上基于铯原子的2D+磁光阱获得了通量为8.5×1010原子/s、平均速度与速度分布分别为16 m/s与4 m/s、空间发散角为25 mrad的冷原子束流,通过相敏的飞行时间法对原子束流的通量进行了准确测量,并对背景原子气压、推送光功率以及冷却光失谐等参量对原子束流的影响进行了实验研究与分析.     

从大气压到超低气压范围的氦等离子体发射光谱的基本特性

采用三种实验装置(介质阻挡放电装置、空心阴极放电装置和彭宁放电装置)分别测量了不同压强范围内氦等离子体的发射光谱。通过对氦等离子体发射光谱的分析,已观察到一个共同的特点,就是在三种放电条件下产生的氦等离子体中31P1→21S0的谱线强度总是最强,可以推测亚稳态氦原子的含量相当显著,但不同的装置也有不同的特点,介质阻挡放电装置能够产生准辉光放电,谱线中氦原子的谱线强度很低,而空心阴极放电与彭宁放电装置能够产生稳定均匀的等离子体,且发射足够强的光辐射。我们已对所拍摄的光谱的谱线都进行了辨认,所有结果表明原子发射光谱分析法是研究不同条件下氦等离子体状态的一种十分有效的手段。     

CH分子束的强度与CH_4/He混合配比的关系及CH(A~2Δ)振转温度的计算

为了获得CH分子束及其相关特性,以氦气为载气,利用直流脉冲放电技术产生了CH分子束。实验记录了放电时间相对于脉冲分子束不同延时CH光谱信号强度的变化,放电相对延时为460μs左右获得最大的信号强度。研究了在保持CH4/He总气压3 atm和放电电压-4 kV不变的条件下CH分子束强度与不同配比的关系,建立了理论模型,对实验数据进行了理论拟合,拟合曲线与实验结果符合较好,配比为1%(甲烷与氦的气压比为1∶99)左右能够维持较稳定的放电现象和较强的放电强度而获得较强的CH自由基束流。在这一配比下对CH(A2Δ-X2Π)(0,0)带发射光谱进行探测和分析,获得CH(A2Δ)转动温度和振动温度分别为2455 K和4575 K,并估计此时每个脉冲中大约包含1013~1014个CH自由基。     

气体激光激励过程与新激光器的研究

一、气体激光的微观过程1.能量共振转移碰撞过程 氦氖激光是由氦亚稳态原子与氖基态原子能量共振转移碰撞,引起对激光上能级的泵浦,形成集居数反转状态. 前一过程产生6328埃(3S2-2P4)和3.39微米(3S2-3P4)激光,后一过程产生1.15微米(2S2-2P4)激光.这两过程相应的能级差小于0.1电子伏特,都满足能量共振条件.式下的箭头表示电子自旋趋向,过程(1)满足维格勒自旋守恒定则(WSR),不引起电子自旋趋向的变化.过程(2)引起电子自旋趋向的变化,不满足WSR.因此,过程(1)的截面大于过程〔2).有人用脉冲余辉法测量了氦亚稳态消激发过程的总截面,但不能…     

二维磁光阱产生铯原子束的数值模拟

通过分析铯原子在σ~+-σ~-组态的圆偏振光照射下塞曼子能级的分布情况,构造铯原子在二维磁光阱(2D-MOT)中的受力模型,利用龙格-库塔方法求解铯原子的运动方程,实现原子束产生过程的三维模拟.得出原子束流量随小孔半径、铯原子蒸汽压、激光光强、激光失谐量、磁场梯度等的变化规律.与实验数据进行比较表明受力模型的正确性,该方法能直观模拟原子束的产生,准确揭示原子束流量随各项参数的变化规律,为实验提供理论指导.     

CH分子束的强度与CH4/He混合配比的关系及CH(A2△)振转温度的计算

为了获得CH分子束及其相关特性,以氦气为载气,利用直流脉冲放电技术产生了CH分子束.实验记录了放电时间相对于脉冲分子束不同延时CH光谱信号强度的变化,放电相对延时为460μs左右获得最大的信号强度.研究了在保持CH4/He总气压3 atm和放电电压-4 kV不变的条件下CH分子束强度与不同配比的关系,建立了理论模型,对实验数据进行了理论拟合,拟合曲线与实验结果符合较好,配比为1%(甲烷与氦的气压比为1:99)左右能够维持较稳定的放电现象和较强的放电强度而获得较强的CH自由基束流.在这一配比下对CH(A2△-X2П)(0,0)带发射光谱进行探测和分析,获得CH(A2△)转动温度和振动温度分别为2455 K和4575 K,并估计此时每个脉冲中大约包含1013～1014个CH自由基.     

用类氦双电子复合伴线诊断Ar等离子体电子温度

在电子密度约为ne=10 13 cm-3 条件下计算了类氦Ar的伴线 j(1s2 2 p2 P3 / 2 - 1s2 p2 2 D5/ 2 )与共振线w(1s2 1S0 - 1s2P1P1)的强度比 ,采用Hartree Fork Relativistic (HFR)方法计算了伴线因子和波长 ,从而得到伴线强度以及强度比。根据计算的相对强度比随温度的变化关系可以利用实验诊断电子温度     

一种低速、连续、单色性好的冷原子束

本文提出一种利用磁光阱冷却捕获技术制备低速、连续、单色性好原子束的方法及技术.采用3维磁光阱从背景Rb蒸汽中捕获Rb87原子进行冷却、捕获形成原子云团,利用在纵向方向上结构设计的小孔将冷原子云团推出形成冷原子束,并在原子束行进方向上采用2维光学黏胶对原子束进行准直,采用态制备激光对其进行态制备,全部制备到Rb87原子的基态能级|F=1>上,从而为原子惯性技术(原子干涉仪、原子重力仪、原子加速度计)、原子频标(原子钟)提供低速、连续、单色性好的原子束.文章对于制备技术的实验系统及实验结果进行了详细的阐述.     

利用塞曼减速法实现锶同位素的磁光阱俘获

利用塞曼减速法在磁光阱(MOT)中实现锶原子一级冷却,使用塞曼减速器对进入阱区前的热原子束进行减速,实验时该减速器线圈通入10.2 A电流,阱区反亥姆霍兹线圈通入10 A电流时,中心区域线性磁场梯度为4 mT/cm,用于冷却和俘获的激光波长为461 nm,其对应于锶原子(5s~2)~1S_0→(5s5p)~1P_1的能级跃迁。通过实验获得了锶4种同位素的冷原子团、探测到相应的冷原子荧光光谱,并且测定其中~(88)Sr,~(87)Sr和~(86)Sr的冷原子数目分别为1.759×10~6,1.759×10~5和2.638×10~5。     

氩原子共振增强多光子电离谱--奇对称性里德堡态

利用脉冲放电产生氩原子亚稳态4s2[3/2]°2和4s′2[1/2]°0,在610～670nm波长范围内,利用共振增强多光子电离和飞行时间质谱技术得到氩原子(2+1)REMPI谱.光谱分析表明所有谱线来源于氩原子4s2[3/2]2和4s′2[1/2]°0两个亚稳态向16个奇对称性里德堡态双光子跃迁,并标识所有谱线.同时首次在实验上观察到一个长序列的3p54s′2[1/2]°0→3p5nd2[1/2]°1(n=8～31)双光子跃迁.在实验技术上,提供了一种研究惰性气体原予以及其它原子高里德堡态和自电离态的新方法.     

利用激光感生荧光直接显示原子能级超精细结构的新方法

本文详细讨论了一种在空间直接显示原子的超精细结构的方法,并观察到Na原子3~2P_(1/2)态的两个超精细能级结构。发散的片状原子束和发散的片状激光束在空间相互作用,当多普勒频移等于原子跃迁频率和激光器频率之差时,原子被激发并在空间发光。计算和实验都已证实发光轨迹是一圆弧。荧光带的数目表明起精细能级的数目,根据空间位置可定出能级间隔,荧光带的宽度反映原子束的速度分布,实验研究了钠原子的3~2S_(1/2)—3~2P_(1/2)的荧光轨迹,照片显示了两个清楚分开的荧光带,带的间距和计算结果相符。     

收发分置氦激光雷达系统参数设计与性能分析

针对收发分置氦激光雷达系统,基于连续激光束成像技术,获得了不同收发分置距离下对应的距离分辨率大小,以及单列CCD像素元与高度的对应关系和距离分辨率随高度的变化曲线.对比分析了在不同亚稳态氦原子密度的条件下,系统单列像素元接收到的光子数与探测高度的对应关系,并获得了信噪比和相对误差随探测高度的变化情况.仿真结果表明,增加积分时间可以提高信噪比,在400～1 000 km的高度范围内,积分时间为2 h,距离分辨率为50 km时,信噪比在10～65范围内,相对误差小于10%.研究结果表明采用收发分置氦共振荧光激光雷达系统可实现对热层200～1 000 km亚稳态氦密度的探测,为进一步完善优化收发分置氦共振荧光激光雷达系统的方案提供参考.