銣光譜燈光譜自吸收現象研究范文

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《波譜學雜志》2016年第二期

摘要：

由自吸收導致的銣光譜燈超精細光譜輪廓變形，對銣原子頻標的頻率穩定度有不利影響．用F-P干涉儀測量了三種常用銣光譜燈的超精細光譜輪廓，研究了啟輝氣體種類、壓力、譜燈工作溫度和激勵功率對自吸收的影響．結果表明，充Ar和充Kr譜燈自吸收效應比較顯著，充Xe譜燈自吸收不明顯；適當增大氣體壓力、降低燈泡工作溫度、增大射頻激勵功率，可以減小光譜燈的自吸收效應．

關鍵詞：

銣原子頻標；銣光譜燈；自吸收；超精細光譜輪廓

銣光譜燈是銣原子頻標的選態光源，其作用是通過光抽運在銣原子頻標鐘躍遷的兩個能級之間形成粒子數反轉．銣光譜燈是一種無極放電燈[1]，它利用射頻激勵電場使燈泡中的起輝氣體電離，產生電子和離子．高速運動的電子和離子通過碰撞將啟輝氣體分子激發到激發態．處于激發態的起輝氣體分子通過碰撞將燈泡中87Rb蒸氣原子激發到激發態，激發態銣原子自發輻射回到基態時發出熒光．87Rb原子光譜中含有D1線和D2線兩種成分，如圖1所示．由于基態能級超精細分裂較大，每一成分又含有a、b兩條超精細譜線[2]．用精密光譜儀測量超精細譜線光譜，可以得到圖2所示的譜線輪廓．可以看到，超精細光譜會出現中心強度減弱和線寬展寬的現象，這種現象是由銣原子發光被周圍其他處于基態的銣原子吸收導致的，稱為自吸收．自吸收嚴重時，譜線中心出現凹陷，稱為自蝕．Hao等人[4]最近研究了銣光譜燈譜線輪廓對銣原子頻標頻率穩定度的影響．結果表明，由自吸收引起的譜線輪廓變形，會降低光抽運效率，影響銣頻標的短期穩定度；還可以通過改變零光頻移點，影響銣頻標的長期穩定度．但是，減小譜線輪廓變形對銣鐘頻率穩定度的影響，還必須從減小光譜燈自身的光自吸收效應入手．本文利用F-P干涉儀超精細光譜測量技術，以目前廣泛使用的Ar、Kr、Xe三種起輝氣體銣光譜燈為對象，研究譜線自吸收與啟輝氣體種類、壓力和激勵功率之間的關系，探討減小譜線自吸收變形的技術方案．

1實驗裝置

研究銣光譜燈譜線自吸收需要測量銣譜燈超精細光譜．利用F-P干涉儀測量銣原子超精細光譜的實驗裝置示于圖3．銣光譜燈發光通過窄帶濾光片濾光，僅使D1線或D2線通過，再經焦距為140mm的透鏡準直，進入F-P腔．光線在腔內兩片高反射鏡之間發生多次反射，反射光之間發生多光束干涉，只有特定波長的光可以透過F-P腔．出射光通過成像透鏡后被光電倍增管探測．計算機控制氣泵均勻改變F-P腔內的氣壓，透過F-P腔的波長隨之發生變化，從而掃描出譜線的超精細光譜．F-P腔的通光孔徑為25mm，鏡面間距為10mm，自由光譜程為15GHz，精細度約為30．實驗中使用本實驗室自制的銣光譜燈[5]，燈泡為圓柱形，直徑為8mm，長15mm，充有適量的銣和起輝氣體．射頻電路為Clapp振蕩電路，產生激勵燈泡發光的射頻信號，振蕩頻率約為120MHz．

2銣超精細光譜測量結果與分析

2.1D1線和D2線自吸收比較圖4給出充Ar銣光譜燈在不同溫度條件下D1線和D2線超精細光譜，氬氣的壓力為1.6torr（213.28Pa）．從圖4可以看到，無論是D1線還是D2線，溫度升高時都會出現自吸收現象，溫度越高，自吸收越嚴重．這是因為溫度越高，燈泡中處于基態的銣原子數也就越大，由(2)式可知，此時自吸收系數也增大，因此自吸收更嚴重．比較圖4(a)和(b)，可以發現，在相同的溫度下，D2線自吸收比D1線嚴重，這是由于D2線的受激輻射幾率比D1線大2倍的緣故．我們也比較過充Kr和充Xe銣光譜燈的D1線和D2超精細光譜，得到的規律與圖4基本類似．

2.2啟輝氣體種類和壓力對自吸收的影響利用自吸收現象更顯著的D2線來考察啟輝氣體種類和壓力對譜線自吸收的影響，測量了壓力分別為1、1.6和3torr（133.30、213.28和399.90Pa）三種氣體譜燈的超精細光譜（示于圖5~7，圖中縱軸表示光強）．需要說明的是，不同譜燈的發光強度，受泡坯不一致性的影響，不具有絕對可比性．本文主要考察的是光譜線的輪廓，因此不影響實驗結果的分析和討論．由圖5~7可以看到，在氣體壓力相同時，充Xe譜燈自吸收程度最輕，充Kr譜燈次之，充Ar譜燈最重．這是由三種氣體的電離能和碰撞截面的差異造成的．Xe的電離能最低，在同樣的溫度和激勵條件下更容易發生電離，且它與銣原子的碰撞截面也最大．因此用Xe作為起輝氣體時，就有更多的銣原子被激發到激發態參與發光，處于基態的銣原子較少，自吸收程度減輕．相比而言，Ar和Kr的電離能較高，碰撞截面也較小，自吸收也就較重．兩者中Ar的電離能更高，所以充Ar譜燈的自吸收更嚴重．由圖5~7還可看到，對每一種啟輝氣體，壓力增大時自吸收程度都呈現減輕的趨勢，表現形式是譜線出現自蝕的最低燈溫（定義為自蝕溫度）變高．以充Ar譜燈為例，氣體壓力為133.30Pa時，自蝕溫度為95℃；壓力為213.28Pa時，自蝕溫度為100℃；壓力為399.90Pa時，自蝕溫度為125℃．這種現象是容易理解的．氣體壓力越大，則氣體分子與銣原子的碰撞就更頻繁，就有更多的銣原子處于激發態，處于基態的銣原子數量減少，自吸收程度因而減輕．

2.3激勵功率對自吸收的影響射頻激勵功率與激勵電路的直流功率成正比，因此實驗中可以通過改變直流功率來改變射頻激勵功率．圖8給出直流功率在1.6~5.9W范圍變化時，三種起輝氣體譜燈D2線超精細光譜輪廓．氣體壓力均為133.30Pa，工作溫度均為115℃．由圖8可看到，充Ar和充Kr譜燈在激勵功率較低時，均存在較為嚴重的自吸收，但隨著激勵功率增大，自吸收逐漸減輕并最終消失．激勵功率增大，處于基態的銣原子減少．當激勵功率增大到一定值時，幾乎所有的銣原子都將處于激發態而參與發光，參與自吸收的銣原子數量幾乎為0，自吸收現象就會消失．充Xe譜燈的情況則有所不同．由于其電離能低，即使激勵功率較低，Xe離子密度也可以大到可將幾乎全部銣原子激發到激發態的程度，不易出現自蝕現象，如圖8(c)所示．

3討論

銣原子頻標中，對原子選態效果有作用的是譜燈光譜中的b成分．基于圖5~7，得到在正常激勵功率（3W）條件下各種光譜燈D2線b成分的自蝕溫度，列于表1．由表1可知，啟輝氣體壓力相同時，充Ar譜燈自蝕溫度最低，充Kr譜燈居中，充Xe譜燈最高．因此，為了消除或減輕譜燈的自蝕，可以選用電離能低的Xe作為起輝氣體，還可以在起輝氣體確定以后，選用盡可能低的燈泡工作溫度．但需要指出的是，燈溫的選用還必須考慮譜燈張弛振蕩和光強的約束．張弛振蕩是在一定燈溫范圍內，起輝氣體和銣原子交替發光的現象，此時銣發光光強不穩定，是一種不可用的狀態．燈溫低于張弛溫度時，光強雖穩但太弱[如圖5(b)中溫度低于115℃時的情形]，也不可用．因此用Ar或Kr作為起輝氣體時，不能為了減輕自蝕而將燈溫度降低到張弛溫度以下．而根據我們的經驗，兩種譜燈的張弛溫度在110~120℃范圍，這就給完全消除自蝕現象造成困難．充Xe譜燈則不僅自蝕溫度高達130℃，且在很大的燈溫范圍內沒有觀察到張弛振蕩，因此很容易找到合適的燈溫，既保證足夠的光強和光強穩定性，又保證譜線輪廓不出現自蝕．目前國際上穩定度最高的銣原子頻標采用的抽運光源就是充Xe的銣譜燈[6]，這應該與該種譜燈優良的光譜輪廓特性有關．圖8的結果表明，采用適當高的射頻激勵功率，對減小銣譜燈光譜的自吸收是有好處的．需要說明的是，銣譜燈自吸收特性可能還與射頻激勵頻率、振蕩回路的Q值、燈泡長度尺寸和泡材料厚度等因素相關．弄清這些因素的影響，還需要更深入的研究．

4結論

本文利用F-P干涉儀超精細光譜測量技術，研究了三種常用的銣光譜燈發光光譜的自吸收特性．結果表明：（1）銣原子D2線的自吸收比D1線更嚴重；（2）起輝氣體種類不同，自吸收程度也不同，存在較大差異，充Ar譜燈自吸收現象最重，充Kr譜燈次之，充Xe譜燈最輕；（3）起輝氣體壓力和譜燈射頻激勵功率增大，燈泡工作溫度降低，自吸收效應可以減輕．本文解釋了上述現象的物理原因，討論了減輕光譜自吸收的技術對策．選用電離能較低的Xe氣作為起輝氣體，適當降低燈泡工作溫度、增大氣體壓力和射頻激勵功率，都有助于達到減輕自吸收的目的．

作者：何勝國 郝強 許風 王芳 趙峰 鐘達 梅剛華 單位：中國科學院原子頻標重點實驗室 中國科學院大學