第４０卷 第７期 ２０１０年７月 激光与红外 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ Ｖｏ１．４０，Ｎｏ．７ Ｊｕｌｙ，２０１０ 文章编号：１００１－５０７８（２０１０）０７－０６９７４）３ ・激光应用技术・ 薄铷汽室饱和吸收光谱的研究 荆彦锋 ，闰树斌 ，秦 丽 ，任小红 （１．中北大学电子测试技术国家重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原０３００５１； ２．长治医学院，山西长治０４６０００） 摘 要：高性能的频率基准在民用、军事领域得到广泛应用。饱和吸收光谱技术是减小多普勒 加宽，获得高性能原子钟的有效手段。本文介绍了原子汽室饱和吸收研究的实验装置和实验 结果，发现原子汽室必须在适当温度下才能获得明显的饱和吸收光谱。对３００ Ｉｘｍ厚度的铷 汽室，５０℃时其饱和吸收的相对强度最高，交叉共振峰的相对强度比５０ ｍｍ厚铷汽室明显减 小，分析并解释了减小的原因。实验结论对微型高性能原子钟的研究具有参考价值。 关键词：饱和吸收光谱；薄铷汽室；交叉共振峰 中图分类号：０４３６ 文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｉｎ Ｒｂ ｖａｐｏｒ ｃｅｌｌ Ｓ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ＪＩＮＧ Ｙａｎ—ｆｅｎｇ ，ＹＡＮ Ｓｈｕ—ｂｉｎ ，ＱＩＮ Ｌｉ ，ＲＥＮ Ｘｉａｏ—ｈｏｎｇ （１．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｏａｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５ １，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈａｎｇｚｈｉ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈａｎｇｚｈｉ Ｏ４６０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｔａｎｄａｒｄ ｉｓ ａ ｋｅｙ ｄｅｖｉｃｅ ｉｎ ｍａｎｙ ｃｉｖｉｌ ａｎｄ ｍｉｌｉｔａｒｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｓａｔｕｒａｔｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉａｎ ｃａｎ ｍｉｎｉ— ｍｉｚｅ ｔｈｅ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｌｅａｄ ｔｏ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｔａｎｄａｒｄ．Ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｉｎ Ｒｂ ｖａｐｏｒ ｃｅｌｌ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｔ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｈａｓ ａ ｏｐｔｉｍａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｗｈｉｃｈ ｂｉｇｇｅｓｔ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｃｃｕｒｓ．Ｆｏｒ ａ ３００ Ｉｘｍ ｖａｐｅｒ ｓｅｌｌ，５０ ｏＣ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ａｐｐｒｏｐｒｉ— ａｔｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｌｓｏ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｄａｔｉｖｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ ｒｅｓｏｎｃｍｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ３００ ｐ，ｍ ｃｅｌｌ ｉｓ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ５０ ｍｍ ｃｅｌ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｉｓ ｍａｄｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｃｎ ｉｓ ｏｆ ｒｅｆｅｒ— ｃｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ａｔｏｍ ｃｌｏｃｋ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓａｔｕｒａｔｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ｔｈｉｎ Ｒｂ ｖａｐｏｒ ｃｅｌｌ；ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ １ 引 言 原子汽室也必须变薄变小。随着原子汽室的变薄， 饱和吸收光谱技术是一种在原子汽室中直接获 汽室内原子数的减少以及原子与汽壁碰撞之前和激 得消除多普勒加宽的简便有效地图像激光光谱方 光束作用的时间变短，会使光谱发生变化，本文研究 法，它是一种高分辨率光谱，广泛应用于激光频率标 薄汽室饱和吸收光谱的特点。 准 Ｊ、激光冷却 等方面。这种技术最早是在２０ ２实验装置 世纪７０年代由Ｔ．Ｗ．Ｈａｎｓｈ研究小组在研究碱金属 实验装置如图１所示，光源采用可调谐外腔式 原子Ｄ２线的吸收光谱时提出并实现的 。饱和吸 收光谱技术有效地消除了多普勒增宽对谱线的影 基金项目：国家“９７３”前期预研项目（Ｎｏ．２００７ＣＢ３１６５ｏ４）；国家 响，实现了对亚多普勒线宽的原子、分子气体样品的 重点实验室基金（Ｎｏ．９１４０ｃ１２０４０４０８０８）；山西省重点实验室开放基 吸收谱线的探测。现代通讯技术和高精度定位的发 金（Ｎｏ．２００７０３０１８）资助。 作者简介：荆彦锋（１９７４一），男，硕士，讲师，主要从事原子物理 展，势必要求频标仪器具备更高的频率稳定性，更低 及ＣＰＴ原子钟的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｉｎｇ＿ｙｆ＠１２６．ｃｏｒｎ 的功耗，更小的体积，相应的作为其物理部分主体的 收稿日期：２０１０－０２－１０ ・ ６９８ 激光与红外 第４０卷 半导体激光器ＴＬＢ一６３１２Ｈ（美国ＮＥＷ ＦＯＣＵＳ），它 在７８０ ｎｍ处最大可输出功率为２４ ｍｗ，粗调光栅反 馈的角度最大可达５ ｎｍ的调谐范围，自由运行时的 线宽小于３００ ｋＨｚ，并能把波长调谐到铷原子的Ｄ２ 时饱和吸收消失，四个多普勒展宽的四个包络变成 了三个包络。图３为在相同的光学条件下铷汽室温 度取不同值时的饱和吸收光谱，其中图３（ａ）为 ２０℃时的饱和吸收谱线，图３（ｂ）为３０℃时的饱和 跃迁上。激光输出首先经过光隔离器防止光反馈影 吸收谱线，图３（Ｃ）为５Ｏ℃时的饱和吸收谱线，图３ （ｄ）为７０℃的饱和吸收谱线。 响激光器的模式，然后经Ａ／２波片和偏振分束器 （ＰＢＳ）调节出射光的强度和偏振状态，再通过分束 器（ＢＳ）分为两束光，光束Ｂ１输出大部分的光用于 ＣＰＴ原子钟的实验，光束Ｂ２用于Ｒｂ原子的饱和吸 收光谱。光束Ｂ２又被一个厚为１２ ｍｍ未镀膜的 Ｋ９玻璃基片分为三束，基片表面反射率约为４％， 光束１为检测光，光束２为参考光，光束１和光束２ 经衰减器调节进人铷泡，通过一半透半反镜后由快 速光电二极管（ＯＰＴ１０１）探测，最后由四通道数字示 波器显示和存储，光束３作为泵浦光进入铷泡与光 束１空间重合，但传播方向相反。实验中函数发生 ＾．ｉＩ）／Ｈ 巨Ｉｓ ｖＳ 器（ＦＧ）给激光器提供频率为２０ Ｈｚ的三角波扫频 信号，激光器的电流为７６．８ ｍＡ，泵浦光的功率为 ７０ ｗ，探测光的功率为７．５ ｗ，铷汽室为我们加 工的薄泡，两内壁间隔约为３００ ｍ，如图２所示。 一．ｊｖ＼＿【Ｂ嘧Ｌｓ ｖｓ ＾．图１实验装置图 Ｆｉｇ．１ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｅｔｕｐ 图２薄铷汽室照片 Ｆｉｇ．２ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ｏｆ ｔｈｉｎ Ｒｂ ｖａｐｏｒ ｃｅｌｌ ３实验结果和分析 实验过程中通过温控仪把铷汽室的温度调到不 同的值，结果发现薄铷汽室的饱和吸收谱线随温度 的变化特别明显：常温时，由于薄汽室里的原子密度 小，和激光束作用的原子数较少，饱和吸收信号不明 显，几乎就看不出，随着温度的升高，原子汽的密度 增加，粒子的热运动加剧，谱线强度逐渐增加，在 ５０℃时信号最强，饱和吸收最明显，随后再升高泡 温，信号趋于饱和，饱和吸收谱线逐渐减弱，在７０℃ ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｔｕｎｉｎｇ／（ａ．ｕ．） ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｔｕｎｉｎｇ￣／（ａ．ｕ．） （ａ） （ｂ） 【鲁Ｉｓ ｖｓ 一．ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｔｕｎｉｎｇ／（ａ．ｕ．） ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｔｕｎｉｎｇ／（ａ．ｕ．） （ｃ） （ｄ） 图３不同温度时的饱和吸收谱线 Ｆｉｇ．３ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ｈｔｉｎ Ｒｂ ｖａｐｏｒ ｃｅｌｌ ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 通过对比５０ ｃＩ＝时３００ ｍ薄铷汽室和５０ ｍｍ 汽室的饱和吸收谱线，可以发现交叉共振峰的幅度 【∞磊 ∞ｖＳ 明显减小，而标准原子跃迁谱线强度几乎没什么变 化，图４为两个铷汽室的盯ＲｂＤ２线的５Ｓ。几，Ｆ＝２— ５Ｐ， Ｆ 的饱和吸收谱线，其中图４（ａ）为３００ ｌｘｍ薄 汽室的饱和吸收谱线，图４（ｂ）为５０ ｍｍ铷汽室的 饱和吸收谱线，图中箭头所指为交叉峰。 ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｔｕｎｉｎｇ／（ａ．ｎ．） ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｔｕｎｉｎｇ／（ａ．ｕ．） （ａ） （ｂ） 图４ ５０％时不同厚度铷汽室的盯ＲｂＤ２线的 ５ＳＩ／２，Ｆ＝２— Ｐ３／２，Ｆ 的饱和吸收谱线 Ｆｉｇ．４ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ Ｒｂ ｖａｐｏｒ ｃｅｌｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ Ｆ＝２＿÷５Ｐ３／２，Ｆ ０ｆ Ｒｂ Ｄ２ ｌｉｎｅ ｗｉｔｌｌ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｃｅｌｌｓ ａｔ ５０℃ 之所以出现上述现象，是由饱和吸收的基本物 理原理决定的。所谓饱和吸收主要不是饱和效应 （主要在二能级系统中显著），而是一种速度选择光 抽运效应的表现：激光束通过分光板分成较强的泵 一．；ｖ＼＿；一＼Ｈ∞昂Ｉｓ ｎ＿Ｂ一＼＇一．； ＼＿【基激光与红外Ｎｏ．７ ２０１０ 荆彦锋等薄铷汽室饱和吸收光谱的研究 ６９９ 浦光束和较弱的探测光束，它们以基本重合但传播 方向相反的路径穿过气体样品，当激光频率扫描到 其原子或分子的精细能级的共振频率时，根据多普 勒效应，只有速度为零或在探测光路径上速度分量 为零的那部分原子或分子由于其多普勒频移为零， 才能同时与泵浦光和探测光发生共振相互作用，此 交叉共振峰的幅度会降低；另一方面，速度矢量平行 于壁面的原子和激光束作用的时间比较长，而这些 原子在光传播方向的速度分量很小以至于为零，对 交叉共振峰没有贡献。随着样品池厚度的进一步减 小，当降低到纳米量级的时候，交叉峰就会消失 Ｊ。 ４结论 时，原子被较强的泵浦光束激励达到饱和状态，即吸 通过对薄铷汽室饱和吸收光谱的测量，我们知 收原子几乎全部被泵浦光束激励到高能态去，探测 光束几乎没有被原子吸收就通过了气体吸收室，而 且较弱的探测光避免了能量展宽，因而谱线呈吸收 弱的尖峰即超精细跃迁，这样饱和吸收光谱就把那 些对光束无多普勒频移的原子挑选出来，其光谱是 无多普勒增宽的。由于热运动，原子在又光矢方向 有一定的速度分布，当激光频率正好扫到某两对超 精细跃迁频率中间时，根据多普勒效应，合适速度的 原子感受迎面而来的泵浦光从而频率升高后正好与 频率高的那对超精细跃迁共振，同时这些原子感受 反方向探测光则频率降低，正好与频率低的那对超 精细跃迁共振，两对超精细跃迁对应着相同的基态， 因此在泵浦光抽运下，基态原子减少，使得对反方向 探测光的吸收减少，从而出现交叉共振峰 Ｊ。泵 浦光的光泵浦效率为 Ｊ： 建 ｔ 叼 ————二■ ————一 （△＋，ｃ ） ＋厂 式中，力为拉比频率； 为铷Ｄ２线的自发衰减速 率；￡为铷原子与激光束的作用时间；△为频率失谐； ，为均匀展宽和非均匀展宽之和，ｋ＝２霄／Ａ。由上 式可知，泵浦光的泵浦效率随原子与激光的作用时 间正比变化，当样品池的厚度减小到特别薄，达到微 米量级的时候，原子和激光束相互作用的时间就取 决于热运动原子的速度矢量，原子的速度矢量垂直 于样品池壁的时候，在和壁面碰撞之前原子与激光 束作用的时间非常短，泵浦光的泵浦效率非常低，激 发态上原子非常少，导致对探测光的吸收非常强烈， 道对于薄汽室而言，要获得最佳的饱和吸收谱线必 须把它加热到最佳温度，３００ ｍ铷汽室的最佳工作 温度为５０℃，同时可以减小交叉共振峰的幅度，使 得饱和吸收光谱技术的应用变得简单，为以后微型 ＣＰＴ原子钟的研究奠定了基础。 参考文献： ［１］Ｇｏｌｄｓｍｉｔｈ Ｊ Ｅ Ｍ，Ｗｅｂｅｒ Ｅ Ｗ，Ｈａｎｓｃｈ Ｔ Ｗ．Ｎｅｗ ｍｅａｓ． ｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｙｄｂｅｒｇ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｕｓｉｎｇ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｓｐｅｃ— ｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ Ｈａ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ，１９７８，４１（２２）： １５２５—１５２８． ［２］Ｓａｌｏｍｏｎ Ｃ，Ｄａｌｉｂａｒｄ Ｊ，Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｗ Ｄ，ｅｔ １ａ．Ｌａｓｅｒ ｃｏｏｌｉｎｇ ｆｏ ｃｅｓｉｕｍ ａｔｏｍｓ ｂｅｌｏｗ ３ ＩｘＫ［Ｊ］．Ｅｕｒ．Ｌｅｔｔ，１９９０，１２（８）： ６８３—６８８． ［３］Ｗａｎｓｃｈ Ｔ Ｗ，Ｓｈａｈｉｎ Ｉ Ｓ，Ｓｃｈａｗｌｏｗ Ａ Ｌ．Ｈ Ｊｉｈｇ—ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ｓｏｄｉｕｍ Ｄ ｌｉｎｅｓ ｗｉｔｈ ａ ｐｕｌｓｅｄ ｔｕｎａｂｌｅ ｄｙｅ ｌａｓｅｒ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ Ｒｅｖ ｌｅｔｔ，１９７１，２７： ７０７—７１０． ［４］Ｍａｇｕｉｒｅ Ｌ Ｐ，ｖａｎ ＢＩｊｎｅｎ Ｒｍｗ，Ｍｅｓｅ Ｅ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ—ｌｅｖｅｌ ａｔｏｍｓ［Ｊ］．Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｂ：Ａｔ．Ｍｏ１．Ｏｐｔ．ＰｈｙＳ，２００６，３９： ２７０９—２７２０． ［５］Ｓｍｉｔｈ Ｄ Ａ，Ｈｕｇｈｅｓ Ｉ Ｇ．１１１ｅ ｒｏｌｅ ｏｆ ｈｙｐｅｒｔｉｎｅ ｐｕｍｐｉｎｇ ｉｎ ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｅｘｈｉｂｉｔｉｎｇ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ［Ｊ］． Ａｍ．Ｊ．Ｐｈｙｓ，２００４，７２：６３１—６３７． ［６］ Ａ Ｓａｒｇｓｙａｎ，Ｄ Ｓａｒｋｉｓｙａｎ，Ａ Ｐａｐｏｙａｎ．Ｓａｔｕｒａｔｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ ｂｙ ｕｓｅ ａ ｎａｎｏｃｅｌｌＩ［Ｊ］．Ｌａｓｅｒ．ｐｈｙｓ，２００８，１８（６）：７４９—７５５．