现代研究性物理实验教程

第1章　原子物理与量子物理 实验1　原子激发态超精细分裂能级结构的测量 原子能级结构的研究是原子物理学的基础，价电子的轨道角动量与其自旋的耦合产生了原子能级的精细结构. 同样，由于原子核具有一定的自旋角动量，其与电子的总角动量相互作用，致使原子的能级进一步分裂. 由于核自旋比电子自旋对原子能级的影响小得多，所以其引起的原子能级的分裂比电子自旋引起的分裂小得多，这种现象称为超精细结构. 原子超精细能级分裂的大小常由原子的磁偶极超精细结构常数和电四极超精细结构常数表征. 原子S态价电子的电子云呈球对称分布，理论计算模型比较简单，其计算的S态磁偶极超精细结构常数与已报道的实验值很接近. 然而，对于原子的D态，由于其复杂的电子云分布，以及电子关联效应、相对论效应、弛豫效应和原子中内层电子的屏蔽效应等的影响，导致理论计算模型复杂，且不同模型给出的计算结果相差较大. 因此，发展一种精密测量原子超精细能级结构的实验方法就显得尤为重要，可以对各种超精细能级结构计算的理论方法作出严格检验，并在量子电动力学理论的检验、原子频标、激光分离同位素等方面具有重要的意义. 一、实验原理 电子自旋与轨道运动的相互作用产生了原子能级的精细结构，原子核自旋与电子总角动量的耦合产生了原子能级的超精细结构. 原子核中的质子和中子是具有自旋为1/2的粒子，以及它们在核内复杂的相对运动，使得原子核具有自旋角动量(核自旋)I，它与核外价电子产生的磁场相互作用，导致原子能级的位移 (1.1) 式中，，为磁偶极超精细结构常数，J为价电子的总角动量，F为原子的总角动量. 又由于大多数原子核内的电荷分布是偏离球形的分布，理论和实验已证明其电偶极矩为0，但存在电四极矩，其与核外价电子产生的电场相互作用，也会导致原子能级的位移 (1.2) 式中，为电四极超精细结构常数. 对于价电子处于S态的原子，由于其电子云呈球对称分布，式中的电四极超精细结构常数为零. 一般情况下，原子核与核外价电子同时存在磁偶极与电四极超精细相互作用，所以对于某一个超精细能级，其总的原子能级位移 (1.3) 故相邻超精细能级间隔为 (1.4) 由上述理论可知，对原子态的磁偶极超精细结构常数和电四极超精细结构常数的测量，实验上主要是对该态的超精细能级分裂频率间隔的精密测量. 二、实验装置及测量方法 对原子激发态超精细能级结构的测量，一般包括两个方面：①原子激发态超精细分裂光谱的获得，即被测量的对象；②频率标尺的建立，即测量工具. 不同的原子激发态超精细光谱与频率标尺的组合，可以延伸出多种超精细能级结构的测量方案. 下文以铯原子6S1/2-6P3/2-6D5/2能级系统为例，说明6D5/2态超精细能级结构测量方法. 图1.1为铯原子6S1/2-6P3/2-6D5/2超精细分裂能级图：铯原子*外层只有1个价电子，其自旋角动量为1/2，对于基态6S，其轨道角动量为0，考虑价电子自旋角动量与轨道角动量的耦合，产生精细分裂，即基态为6S1/2；对于激发态6P，其轨道角动量为1，产生的精细分裂能级为6P3/2和6P1/2(图中未画出)；对于激发态6D，其轨道角动量为2，其精细分裂能级为6D5/2和6D3/2(图中未画出). 当考虑铯原子核的自旋I=7/2与价电子总角动量J的耦合时，产生超精细分裂：基态6S1/2分裂为两个超精细子能级F=4和F=3，之间的频率间隔为9192.631MHz，即钟跃迁线；中间激发态6P3/2分裂为四个超精细子能级，=2，3，4，5之间的频率间隔依次为151.225MHz，201.287MHz，251.092MHz；激发态6D5/2分裂为六个超精细能级，=?6，5，4，3，2，1之间的频率间隔的测量是本实验的主要内容. 图1.1　铯原子6S1/2-6P3/2-6D5/2超精细分裂能级 室温下气室中的原子样品，服从麦克斯韦-玻尔兹曼分布，原子常处于基态，要想获得原子激发态之间跃迁的超精细光谱，通常需要一泵浦激光将原子由基态布居到中间激发态，然后探测激光在中间激发态和更高激发态之间频率扫描，便可获得相应的超精细跃迁谱线. 图1.2为测量铯原子激发态6D5/2超精细能级结构的实验装置示意图. 光栅外腔反馈半导体激光器DL1作为泵浦光(pump laser)，其波长调谐为852.335nm或852.356nm，分别对应于铯原子6S1/2 F=36P3/2=2，3，4和6S1/2 F=46P3/2=3，4，5的超精细跃迁线，其频率可通过饱和吸收光谱锁定，将铯原子由基态6S1/2布居到中间激发态6P3/2的超精细能级上. 半导体激光器DL2作为探测光(probe laser)，其波长调谐为917.483nm，在铯原子6P3/2 -6D5/2 之间频率扫描，便可获得6D5/2激发态超精细分裂的光谱信息，即光学双共振(OODR)吸收光谱. 917.483nm的探测光通过半波片和立方偏振分光棱镜分为两束，其中一束通过声光调制器产生+1级衍射光，它与另一束(与AOM的0级光频率相同)激光通过分束镜共线重合(二者之间的频率差为加载到AOM上驱动信号源的频率)，然后与泵浦光共线反向穿过在室温下的铯原子气室：直径2.5cm，长度10.0cm；为了减小地球磁场因塞曼(Zeeman)效应对原子能级频移的影响，在铯原子泡外包裹了３层坡莫合金材料，通过双色镜重合与分离，*后到达光电探测器PD2处. 因此，在激发态6P3/2 -6D5/2之间扫描探测光的频率，在PD2探测器上先后获得+1级衍射光和0级光对应的两套OODR吸收光谱，同一激发态超精细跃迁线之间的频率间隔为加载到AOM上驱动信号源的频率，以此作为“标尺”测量与+1级衍射光和0级光对应的OODR谱线之间的频率间隔，即可知6D5/2激发态超精细分裂的频率间隔. 图1.2　测量铯原子激发态6D5/2超精细能级结构的实验装置示意图 具体测量6D5/2超精细能级分裂的频率间隔方法如下：因917.483nm激光经声光调制器后，将其+1级衍射光和0级光通过50/50分束器合为一束作为探测光，得到两套光谱分布完全相同的OODR谱线，如图1.3所示(泵浦光852.3nm频率锁于6S1/2，F=3-6P3/2，=3超精细跃迁线). 同一超精细能级跃迁的两OODR谱线之间的频率间隔为加载在AOM上驱动信号源的频率，经谱仪测量其数值为122.700MHz (谱仪的测量精度达0.001MHz)，即可作为测量“标尺”，据此将数字示波器上记录的OODR吸收光谱的“时间轴”线性地转化为“频率轴”. 为了准确地确定每个OODR谱线的中心位置，基于Origin软件对实验数据进行多峰洛伦兹(Lorentz)拟合，如图1.3中细灰线所示，整体拟合曲线轮廓效果如粗灰线所示，与黑色的实验OODR吸收光谱数据曲线符合得较好. 将多峰洛伦兹拟合得到的OODR谱线中心位置的数值相互作差，便可得到6D5/2超精细能级分裂的频率间隔. 为了减小917.483nm探测光频率扫描时，驱动光栅转动的压电陶瓷非线性效应对测量的影响，要尽可能减小探测光频率扫描的范围，故加载到AOM上驱动信号源的频率刚好把+1级衍射光和0级光对应的两套OODR光谱分离；在数据处理方面，将从+1级衍射光和0级光的OODR吸收光谱得到的6D5/2超精细能级分裂的频率间隔取平均. 然后根据公式(1.4)，计算出该原子态的磁偶极超精细结构常数和电四极超精细结构常数，参考结果见表1.1. 图1.3　铯原子激发态6D5/2超精细能级分裂的测量示例 表1.1　铯原子6D5/2激发态的磁耦极(Ahfs)和电四极(Bhfs)超精细结构常数 以上仅是利用OODR吸收光谱技术和通过AOM建立的频率标尺来完成原子激发态能级结构的测量. 事实上获得原子激发态超精细光谱的技术还有：双共振光抽运光谱、电磁诱导透明光谱、激发态的偏振光谱、双光子光谱等；在建立频率标尺方面，也可通过电光调制器(EOM)、频率梳技术、光学法布里-珀罗(F-P)腔等建立. 两方面结合，可以有多种测量方案，同学可根据自身实验室条件，选择合适的方案完成原子激发态能级结构的测量和探究. 三、实验内容 (1) 自学原子饱和吸收光谱原理，搭建实验光路，调节泵浦激光对准原子跃迁线，获得基态-中间激发态跃迁的饱和吸收光谱(SAS)，并将泵浦光频率锁定； (2) 调节探测激光频率，获得原子激发态超精细能级跃迁谱线，完成超精细跃迁谱线的识别，总结谱线的分布规律； (3) 通过AOM建立的频率标尺测量超精细分裂频率间隔； (4) 计算磁偶极超精细结构常数和电四极超精细结构常数； (5) 探究获得原子激发态能级超精细分裂的其他光谱技术及其频率间隔的测量方案. 四、注意事项 (1) 戴激光防护眼镜，避免激光直射或反射进入眼睛后对眼睛造成永久的伤害； (2) 操作半导体激光器，注意防静电处理，避免损坏激光管； (3) 半导体激光器的温度必须控制稳定之后，才可施加工作电流输出激光，否则可能损坏激光器； (4) 所有光学元件均须轻拿轻放，避免损坏. 五、思考与讨论 (1) 原子激发态超精细能级跃迁谱线如何识别，及其光谱分布有哪些特点？ (2) 原子激发态超精细能级跃迁的光谱线宽与哪些因素有关？如何获得窄线宽、高信噪比的光谱信号？ (3) 在原子激发态能级超精细分裂测量中，存在哪些误差，如何减小这些误差来提高能级分裂频率间隔的测量精度？ 参考文献