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《波譜學(xué)雜志》2016年第二期

摘要：

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

關(guān)鍵詞：

銣原子頻標(biāo)；銣光譜燈；自吸收；超精細(xì)光譜輪廓

銣光譜燈是銣原子頻標(biāo)的選態(tài)光源，其作用是通過(guò)光抽運(yùn)在銣原子頻標(biāo)鐘躍遷的兩個(gè)能級(jí)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)．銣光譜燈是一種無(wú)極放電燈[1]，它利用射頻激勵(lì)電場(chǎng)使燈泡中的起輝氣體電離，產(chǎn)生電子和離子．高速運(yùn)動(dòng)的電子和離子通過(guò)碰撞將啟輝氣體分子激發(fā)到激發(fā)態(tài)．處于激發(fā)態(tài)的起輝氣體分子通過(guò)碰撞將燈泡中87Rb蒸氣原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)銣原子自發(fā)輻射回到基態(tài)時(shí)發(fā)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(tài)能級(jí)超精細(xì)分裂較大，每一成分又含有a、b兩條超精細(xì)譜線[2]．用精密光譜儀測(cè)量超精細(xì)譜線光譜，可以得到圖2所示的譜線輪廓．可以看到，超精細(xì)光譜會(huì)出現(xiàn)中心強(qiáng)度減弱和線寬展寬的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是由銣原子發(fā)光被周?chē)渌幱诨鶓B(tài)的銣原子吸收導(dǎo)致的，稱為自吸收．自吸收嚴(yán)重時(shí)，譜線中心出現(xiàn)凹陷，稱為自蝕．Hao等人[4]最近研究了銣光譜燈譜線輪廓對(duì)銣原子頻標(biāo)頻率穩(wěn)定度的影響．結(jié)果表明，由自吸收引起的譜線輪廓變形，會(huì)降低光抽運(yùn)效率，影響銣頻標(biāo)的短期穩(wěn)定度；還可以通過(guò)改變零光頻移點(diǎn)，影響銣頻標(biāo)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度．但是，減小譜線輪廓變形對(duì)銣鐘頻率穩(wěn)定度的影響，還必須從減小光譜燈自身的光自吸收效應(yīng)入手．本文利用F-P干涉儀超精細(xì)光譜測(cè)量技術(shù)，以目前廣泛使用的Ar、Kr、Xe三種起輝氣體銣光譜燈為對(duì)象，研究譜線自吸收與啟輝氣體種類、壓力和激勵(lì)功率之間的關(guān)系，探討減小譜線自吸收變形的技術(shù)方案．

1實(shí)驗(yàn)裝置

研究銣光譜燈譜線自吸收需要測(cè)量銣譜燈超精細(xì)光譜．利用F-P干涉儀測(cè)量銣原子超精細(xì)光譜的實(shí)驗(yàn)裝置示于圖3．銣光譜燈發(fā)光通過(guò)窄帶濾光片濾光，僅使D1線或D2線通過(guò)，再經(jīng)焦距為140mm的透鏡準(zhǔn)直，進(jìn)入F-P腔．光線在腔內(nèi)兩片高反射鏡之間發(fā)生多次反射，反射光之間發(fā)生多光束干涉，只有特定波長(zhǎng)的光可以透過(guò)F-P腔．出射光通過(guò)成像透鏡后被光電倍增管探測(cè)．計(jì)算機(jī)控制氣泵均勻改變F-P腔內(nèi)的氣壓，透過(guò)F-P腔的波長(zhǎng)隨之發(fā)生變化，從而掃描出譜線的超精細(xì)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(xì)度約為30．實(shí)驗(yàn)中使用本實(shí)驗(yàn)室自制的銣光譜燈[5]，燈泡為圓柱形，直徑為8mm，長(zhǎng)15mm，充有適量的銣和起輝氣體．射頻電路為Clapp振蕩電路，產(chǎn)生激勵(lì)燈泡發(fā)光的射頻信號(hào)，振蕩頻率約為120MHz．

2銣超精細(xì)光譜測(cè)量結(jié)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(xì)光譜，氬氣的壓力為1.6torr（213.28Pa）．從圖4可以看到，無(wú)論是D1線還是D2線，溫度升高時(shí)都會(huì)出現(xiàn)自吸收現(xiàn)象，溫度越高，自吸收越嚴(yán)重．這是因?yàn)闇囟仍礁撸瑹襞葜刑幱诨鶓B(tài)的銣原子數(shù)也就越大，由(2)式可知，此時(shí)自吸收系數(shù)也增大，因此自吸收更嚴(yán)重．比較圖4(a)和(b)，可以發(fā)現(xiàn)，在相同的溫度下，D2線自吸收比D1線嚴(yán)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(guò)充Kr和充Xe銣光譜燈的D1線和D2超精細(xì)光譜，得到的規(guī)律與圖4基本類似．

2.2啟輝氣體種類和壓力對(duì)自吸收的影響利用自吸收現(xiàn)象更顯著的D2線來(lái)考察啟輝氣體種類和壓力對(duì)譜線自吸收的影響，測(cè)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(xì)光譜（示于圖5~7，圖中縱軸表示光強(qiáng)）．需要說(shuō)明的是，不同譜燈的發(fā)光強(qiáng)度，受泡坯不一致性的影響，不具有絕對(duì)可比性．本文主要考察的是光譜線的輪廓，因此不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論．由圖5~7可以看到，在氣體壓力相同時(shí)，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(lì)條件下更容易發(fā)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(shí)，就有更多的銣原子被激發(fā)到激發(fā)態(tài)參與發(fā)光，處于基態(tài)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(yán)重．由圖5~7還可看到，對(duì)每一種啟輝氣體，壓力增大時(shí)自吸收程度都呈現(xiàn)減輕的趨勢(shì)，表現(xiàn)形式是譜線出現(xiàn)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(shí)，自蝕溫度為95℃；壓力為213.28Pa時(shí)，自蝕溫度為100℃；壓力為399.90Pa時(shí)，自蝕溫度為125℃．這種現(xiàn)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(fā)態(tài)，處于基態(tài)的銣原子數(shù)量減少，自吸收程度因而減輕．

2.3激勵(lì)功率對(duì)自吸收的影響射頻激勵(lì)功率與激勵(lì)電路的直流功率成正比，因此實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)改變直流功率來(lái)改變射頻激勵(lì)功率．圖8給出直流功率在1.6~5.9W范圍變化時(shí)，三種起輝氣體譜燈D2線超精細(xì)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(lì)功率較低時(shí)，均存在較為嚴(yán)重的自吸收，但隨著激勵(lì)功率增大，自吸收逐漸減輕并最終消失．激勵(lì)功率增大，處于基態(tài)的銣原子減少．當(dāng)激勵(lì)功率增大到一定值時(shí)，幾乎所有的銣原子都將處于激發(fā)態(tài)而參與發(fā)光，參與自吸收的銣原子數(shù)量幾乎為0，自吸收現(xiàn)象就會(huì)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(lì)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(fā)到激發(fā)態(tài)的程度，不易出現(xiàn)自蝕現(xiàn)象，如圖8(c)所示．

3討論

銣原子頻標(biāo)中，對(duì)原子選態(tài)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(lì)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(shí)，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(qiáng)的約束．張弛振蕩是在一定燈溫范圍內(nèi)，起輝氣體和銣原子交替發(fā)光的現(xiàn)象，此時(shí)銣發(fā)光光強(qiáng)不穩(wěn)定，是一種不可用的狀態(tài)．燈溫低于張弛溫度時(shí)，光強(qiáng)雖穩(wěn)但太弱[如圖5(b)中溫度低于115℃時(shí)的情形]，也不可用．因此用Ar或Kr作為起輝氣體時(shí)，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(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，兩種譜燈的張弛溫度在110~120℃范圍，這就給完全消除自蝕現(xiàn)象造成困難．充Xe譜燈則不僅自蝕溫度高達(dá)130℃，且在很大的燈溫范圍內(nèi)沒(méi)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(qiáng)和光強(qiáng)穩(wěn)定性，又保證譜線輪廓不出現(xiàn)自蝕．目前國(guó)際上穩(wěn)定度最高的銣原子頻標(biāo)采用的抽運(yùn)光源就是充Xe的銣譜燈[6]，這應(yīng)該與該種譜燈優(yōu)良的光譜輪廓特性有關(guān)．圖8的結(jié)果表明，采用適當(dāng)高的射頻激勵(lì)功率，對(duì)減小銣譜燈光譜的自吸收是有好處的．需要說(shuō)明的是，銣譜燈自吸收特性可能還與射頻激勵(lì)頻率、振蕩回路的Q值、燈泡長(zhǎng)度尺寸和泡材料厚度等因素相關(guān)．弄清這些因素的影響，還需要更深入的研究．

4結(jié)論

本文利用F-P干涉儀超精細(xì)光譜測(cè)量技術(shù)，研究了三種常用的銣光譜燈發(fā)光光譜的自吸收特性．結(jié)果表明：（1）銣原子D2線的自吸收比D1線更嚴(yán)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(xiàn)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(lì)功率增大，燈泡工作溫度降低，自吸收效應(yīng)可以減輕．本文解釋了上述現(xiàn)象的物理原因，討論了減輕光譜自吸收的技術(shù)對(duì)策．選用電離能較低的Xe氣作為起輝氣體，適當(dāng)降低燈泡工作溫度、增大氣體壓力和射頻激勵(lì)功率，都有助于達(dá)到減輕自吸收的目的．

作者：何勝國(guó) 郝強(qiáng) 許風(fēng) 王芳 趙峰 鐘達(dá) 梅剛?cè)A 單位：中國(guó)科學(xué)院原子頻標(biāo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)