專利名稱：原子能級精確測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及原子能級測量技術，具體是一種原子能級精確測量裝置。
背景技術：
原子能級的精確測量對研究原子結構、原子超精細常數、原子勢能曲線和原子動力學演化有重要意義。目前，國際上主要采用光譜的方法來測量原子能級，但是由于光譜線的增寬效應掩蓋了光譜結構的細節，成為獲取原子能級信息的主要障礙。光譜增寬的來源有三個因素譜線的自然寬度、壓致(碰撞)增寬、多普勒增寬。當壓力小于1333I^(10mmHg) 時，壓制增寬并不嚴重，與自然寬度有相同量級。其中多普勒增寬通常比自然寬度大兩個數量級，是實際譜線寬度的主要成分。通常使一些很靠近的譜線難以分辨。近代光譜實驗采用的一些新方法如飽和光譜技術、雙光子吸收是消除多普勒增寬的有效方法。飽和吸收光譜技術只能探測速度為零的原子，而雙光子吸收可以探測所有速度的原子，雙光子吸收能使所有原子都對光譜信號有貢獻，比飽和吸收更優越。基于此，人們通常采用兩臺固定頻率的激光器來研究原子的雙光子吸收光譜，從而測量原子的能級位置。這種固定頻率的激光器僅僅可以研究原子單一雙光子光譜，而且需要對兩臺固定頻率的激光器進行相干鎖定，操作非常復雜，受激光器輸出激光線寬(MHz)太寬的影響原子能級的測量精度只能達到MHz。 基于此，有必要發明一種不受多普勒增寬的影響、操作方便，同時可以精確快速地測量所選原子全部能級信息的原子能級測量裝置，以解決現有原子能級測量技術受激光器固定頻率的限制只能測量原子部分能級、對原子能級測量的精度受激光器線寬影響、測量方法復雜且難以實現的問題。
發明內容
本發明為了解決現有原子能級測量技術受激光器固定頻率的限制只能測量原子部分能級、對原子能級測量的精度受激光器線寬影響、測量方法復雜且難以實現的問題，提供了一種原子能級精確測量裝置。本發明是采用如下技術方案實現的原子能級精確測量裝置，包括飛秒光學頻率梳、無偏振分束棱鏡、原子蒸汽泡、光電倍增管、以及示波器；飛秒光學頻率梳的出射端與無偏振分束棱鏡的入射端之間設有由第一全反射鏡和第二全反射鏡依次串接而成的準直光路；無偏振分束棱鏡的透射出射端與原子蒸汽泡之間設有由第三全反射鏡、第一濾光片、第四全反射鏡依次串接而成的光路；無偏振分束棱鏡的反射出射端與原子蒸汽泡之間設有由第三濾光片和第五全反射鏡依次串接而成的光路；原子蒸汽泡與光電倍增管的輸入端之間設有由凸透鏡和第二濾光片依次串接而成的光路；光電倍增管的輸出端與示波器之間連接有BNC線。工作時，飛秒光學頻率梳輸出的高穩定性寬帶激光(300-1000nm)依次被第一全反射鏡、第二全反射鏡反射后入射到無偏振分束棱鏡，然后由無偏振分束棱鏡分出光強相等的透射和反射光，其中透射光被第三全反射鏡反射后穿過第一濾光片，由第一濾光片從寬帶激光中選擇出雙光子吸收所需用的一束激光，再經過第四全反射鏡反射后穿過原子蒸汽泡。反射光直接穿過第三濾光片，利用第三濾光片從寬帶激光中選擇出雙光子吸收所需用的另一束激光，再經過第五全反射鏡反射后穿過原子蒸汽泡，這時可以通過調節第四全反射鏡和第五全反射鏡使得相向傳播的兩束激光的光路重合。隨后原子蒸汽泡掃描飛秒光學頻率梳輸出的寬帶激光的頻率，當掃描到雙光子共振頻率時，原子蒸汽泡會發出熒光， 產生的熒光經過凸透鏡匯聚并且使用第二濾光片濾去雜散光后由光電倍增管探測，探測信號通過BNC線輸入到示波器上顯示。在此過程中，示波器對飛秒光學頻率梳所顯示的頻率進行同步記錄。根據示波器得到的雙光子吸收光譜和對飛秒光學頻率梳所顯示的頻率就可以精確地獲得原子能級位置。圖2是不使用第一濾光片和第三濾光片、只用第二濾光片獲得的銫原子所有能級的雙光子吸收光譜。圖3是采用第一濾光片中心在794nm帶寬 10nm、第二濾光片中心在450nm帶寬10nm、第三濾光片中心在852nm帶寬IOnm所選出的銫原子62S1/2-62P3/2-82S1/2雙光子吸收圖。通過對比圖2和圖3可知，采用與銫原子能級相應頻率的第一濾光片和第二濾光片可以得到確定且信噪比更高的雙光子光譜，并且所得譜線更好分辨，由此提高了測量的精確性。在上述測量過程中，飛秒光學頻率梳輸出寬帶激光(300-1000nm)，使用不同窄帶濾光片選擇可以相關一系列不同頻率激光，相當于得到了 300-1000nm的無數個激光光源，為精確測量任意原子的能級信息提供了支持。因為激發雙光子躍遷的兩束激光都是由飛秒光學頻率梳提供，所以具有嚴格的相干性而無需額外的相干鎖定，相比于普通兩臺不同的激光器要進行復雜的相干鎖定，此種無需額外相干鎖定的測量方法更加簡便，由此極大地提高了雙光子躍遷幾率。采用本發明所述的原子能級精確測量裝置進行原子能級測量時，不需要使用許多不同頻率的激光器，而只需要更換第一濾光片和第二濾光片，就可以測得所有雙光子光譜。試驗表明，采用現有原子能級測量技術測量全部的原子能級需要幾十到上百臺激光器。而使用一臺本發明所述的原子能級精確測量裝置就可以測量全部的原子能級，極大的簡化了測量方法。同時，采用本發明所述的原子能級精確測量裝置獲得的原子能級的精確度可達到kHz的量級，相比于采用現有技術得到的 MHz的測量精度具有質的飛躍。基于上述過程，與現有原子能級測量技術相比，本發明所述的原子能級精確測量裝置有效解決了現有原子能級測量技術受激光器固定頻率的限制只能測量原子部分能級、對原子能級測量的精度受激光器線寬影響、測量方法復雜且難以實現的問題，其通過更換原子蒸汽泡與相應的第一濾光片、第二濾光片和第三濾光片可以精確地測量任意原子的全部能級，其準確、全面、靈敏的特點給原子能級的測量技術帶來了重大突破。進一步地，還包括腔體；飛秒光學頻率梳、第一全反射鏡、第二全反射鏡、無偏振分束棱鏡、第三全反射鏡、第一濾光片、第四全反射鏡、原子蒸汽泡、凸透鏡、第二濾光片、光電倍增管、第五全反射鏡、BNC線、示波器、第三濾光片均設于腔體內。工作時，腔體起到保護作用。本發明有效解決了現有原子能級測量技術受激光器固定頻率的限制只能測量原子部分能級、對原子能級測量的精度受激光器線寬影響、測量方法復雜且難以實現的問題， 采用本發明所述的原子能級精確測量裝置可獲得精度為kHz的銫原子能級。
圖1是本發明的結構示意圖。圖2是不使用第一濾光片和第三濾光片、只用第二濾光片獲得的銫原子所有能級的雙光子吸收圖。圖3是銫原子62S1/2-62P3/2-8%1/2雙光子吸收圖。圖中1-飛秒光學頻率梳，2-第一全反射鏡，3-第二全反射鏡，4-無偏振分束棱鏡，5-第三全反射鏡，6-第一濾光片，7-第四全反射鏡，8-原子蒸汽泡，9-凸透鏡，10-第二濾光片，11-光電倍增管，12-第五全反射鏡，13-BNC線，14-示波器，15-第三濾光片，16-腔體。
具體實施例方式原子能級精確測量裝置，包括飛秒光學頻率梳1、無偏振分束棱鏡4、原子蒸汽泡 8、光電倍增管11、以及示波器14 ；飛秒光學頻率梳1的出射端與無偏振分束棱鏡4的入射端之間設有由第一全反射鏡2和第二全反射鏡3依次串接而成的準直光路；無偏振分束棱鏡4的透射出射端與原子蒸汽泡8之間設有由第三全反射鏡5、第一濾光片6、第四全反射鏡7依次串接而成的光路；無偏振分束棱鏡4的反射出射端與原子蒸汽泡8之間設有由第三濾光片15和第五全反射鏡12依次串接而成的光路；原子蒸汽泡8與光電倍增管11的輸入端之間設有由凸透鏡9和第二濾光片10依次串接而成的光路；光電倍增管11的輸出端與示波器14之間連接有BNC線13 ；
還包括腔體16 ；飛秒光學頻率梳1、第一全反射鏡2、第二全反射鏡3、無偏振分束棱鏡 4、第三全反射鏡5、第一濾光片6、第四全反射鏡7、原子蒸汽泡8、凸透鏡9、第二濾光片10、 光電倍增管11、第五全反射鏡12、BNC線13、示波器14、第三濾光片15均設于腔體16內； 具體實施時，所述第一全反射鏡2、第二全反射鏡3、第三全反射鏡5、第四全反射鏡 7、第五全反射鏡12均為寬帶介質膜全反射鏡；第一濾光片6、第二濾光片10、第三濾光片 15均為帶寬IOnm的窄帶濾光片；所述無偏振分束棱鏡4的帶寬為300-900nm ；所述凸透鏡9的直徑為50 mm、焦距為30mm、帶寬為350-900 nm ；所述飛秒光學頻率梳1為Menlo System公司生產的FC1500型飛秒光學頻率梳，其重復頻率為250MHz，輸出的寬帶光譜為 300-1000nm，可以通過掃描重復頻率來掃描輸出的寬帶光譜頻率。
權利要求
1.一種原子能級精確測量裝置，其特征在于包括飛秒光學頻率梳(1)、無偏振分束棱鏡(4)、原子蒸汽泡(8)、光電倍增管(11)、以及示波器(14)；飛秒光學頻率梳(1)的出射端與無偏振分束棱鏡(4)的入射端之間設有由第一全反射鏡(2)和第二全反射鏡(3)依次串接而成的準直光路；無偏振分束棱鏡(4)的透射出射端與原子蒸汽泡(8)之間設有由第三全反射鏡(5)、第一濾光片(6)、第四全反射鏡(7)依次串接而成的光路；無偏振分束棱鏡 (4)的反射出射端與原子蒸汽泡(8)之間設有由第三濾光片(15)和第五全反射鏡(12)依次串接而成的光路；原子蒸汽泡(8)與光電倍增管(11)的輸入端之間設有由凸透鏡(9)和第二濾光片(10)依次串接而成的光路；光電倍增管(11)的輸出端與示波器(14)之間連接有 BNC 線(13)。
2.根據權利要求1所述的原子能級精確測量裝置，其特征在于其特征在于還包括腔體(16)；飛秒光學頻率梳(1)、第一全反射鏡(2)、第二全反射鏡(3)、無偏振分束棱鏡(4)、 第三全反射鏡(5)、第一濾光片(6)、第四全反射鏡(7)、原子蒸汽泡(8)、凸透鏡(9)、第二濾光片(10)、光電倍增管(11)、第五全反射鏡(12)、BNC線(13)、示波器(14)、第三濾光片 (15)均設于腔體(16)內。
全文摘要
本發明涉及原子能級測量技術，具體是一種原子能級精確測量裝置。本發明解決了現有原子能級測量技術受激光器固定頻率的限制只能測量原子部分能級、對原子能級測量的精度受激光器線寬影響、測量方法復雜且難以實現的問題。原子能級精確測量裝置包括飛秒光學頻率梳、無偏振分束棱鏡、原子蒸汽泡、光電倍增管、以及示波器；飛秒光學頻率梳的出射端與無偏振分束棱鏡的入射端之間設有由第一全反射鏡和第二全反射鏡依次串接而成的準直光路。本發明有效解決了現有原子能級測量技術受激光器固定頻率的限制只能測量原子部分能級、對原子能級測量的精度受激光器線寬影響、測量方法復雜且難以實現的問題。
文檔編號G01J3/02GK102494770SQ201110403340
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月7日 優先權日2011年12月7日
發明者張一馳, 李玉清, 武寄洲, 汪麗蓉, 肖連團, 賈鎖堂, 金麗, 馬杰 申請人:山西大學