铷光谱灯光谱自吸收现象研究范文

《波谱学杂志》2016年第二期

摘要：

由自吸收导致的铷光谱灯超精细光谱轮廓变形，对铷原子频标的频率稳定度有不利影响．用F-P干涉仪测量了三种常用铷光谱灯的超精细光谱轮廓，研究了启辉气体种类、压力、谱灯工作温度和激励功率对自吸收的影响．结果表明，充Ar和充Kr谱灯自吸收效应比较显著，充Xe谱灯自吸收不明显；适当增大气体压力、降低灯泡工作温度、增大射频激励功率，可以减小光谱灯的自吸收效应．

关键词：

铷原子频标；铷光谱灯；自吸收；超精细光谱轮廓

铷光谱灯是铷原子频标的选态光源，其作用是通过光抽运在铷原子频标钟跃迁的两个能级之间形成粒子数反转．铷光谱灯是一种无极放电灯[1]，它利用射频激励电场使灯泡中的起辉气体电离，产生电子和离子．高速运动的电子和离子通过碰撞将启辉气体分子激发到激发态．处于激发态的起辉气体分子通过碰撞将灯泡中87Rb蒸气原子激发到激发态，激发态铷原子自发辐射回到基态时发出荧光．87Rb原子光谱中含有D1线和D2线两种成分，如图1所示．由于基态能级超精细分裂较大，每一成分又含有a、b两条超精细谱线[2]．用精密光谱仪测量超精细谱线光谱，可以得到图2所示的谱线轮廓．可以看到，超精细光谱会出现中心强度减弱和线宽展宽的现象，这种现象是由铷原子发光被周围其他处于基态的铷原子吸收导致的，称为自吸收．自吸收严重时，谱线中心出现凹陷，称为自蚀．Hao等人[4]最近研究了铷光谱灯谱线轮廓对铷原子频标频率稳定度的影响．结果表明，由自吸收引起的谱线轮廓变形，会降低光抽运效率，影响铷频标的短期稳定度；还可以通过改变零光频移点，影响铷频标的长期稳定度．但是，减小谱线轮廓变形对铷钟频率稳定度的影响，还必须从减小光谱灯自身的光自吸收效应入手．本文利用F-P干涉仪超精细光谱测量技术，以目前广泛使用的Ar、Kr、Xe三种起辉气体铷光谱灯为对象，研究谱线自吸收与启辉气体种类、压力和激励功率之间的关系，探讨减小谱线自吸收变形的技术方案．

1实验装置

研究铷光谱灯谱线自吸收需要测量铷谱灯超精细光谱．利用F-P干涉仪测量铷原子超精细光谱的实验装置示于图3．铷光谱灯发光通过窄带滤光片滤光，仅使D1线或D2线通过，再经焦距为140mm的透镜准直，进入F-P腔．光线在腔内两片高反射镜之间发生多次反射，反射光之间发生多光束干涉，只有特定波长的光可以透过F-P腔．出射光通过成像透镜后被光电倍增管探测．计算机控制气泵均匀改变F-P腔内的气压，透过F-P腔的波长随之发生变化，从而扫描出谱线的超精细光谱．F-P腔的通光孔径为25mm，镜面间距为10mm，自由光谱程为15GHz，精细度约为30．实验中使用本实验室自制的铷光谱灯[5]，灯泡为圆柱形，直径为8mm，长15mm，充有适量的铷和起辉气体．射频电路为Clapp振荡电路，产生激励灯泡发光的射频信号，振荡频率约为120MHz．

2铷超精细光谱测量结果与分析

2.1D1线和D2线自吸收比较图4给出充Ar铷光谱灯在不同温度条件下D1线和D2线超精细光谱，氩气的压力为1.6torr（213.28Pa）．从图4可以看到，无论是D1线还是D2线，温度升高时都会出现自吸收现象，温度越高，自吸收越严重．这是因为温度越高，灯泡中处于基态的铷原子数也就越大，由(2)式可知，此时自吸收系数也增大，因此自吸收更严重．比较图4(a)和(b)，可以发现，在相同的温度下，D2线自吸收比D1线严重，这是由于D2线的受激辐射几率比D1线大2倍的缘故．我们也比较过充Kr和充Xe铷光谱灯的D1线和D2超精细光谱，得到的规律与图4基本类似．

2.2启辉气体种类和压力对自吸收的影响利用自吸收现象更显著的D2线来考察启辉气体种类和压力对谱线自吸收的影响，测量了压力分别为1、1.6和3torr（133.30、213.28和399.90Pa）三种气体谱灯的超精细光谱（示于图5~7，图中纵轴表示光强）．需要说明的是，不同谱灯的发光强度，受泡坯不一致性的影响，不具有绝对可比性．本文主要考察的是光谱线的轮廓，因此不影响实验结果的分析和讨论．由图5~7可以看到，在气体压力相同时，充Xe谱灯自吸收程度最轻，充Kr谱灯次之，充Ar谱灯最重．这是由三种气体的电离能和碰撞截面的差异造成的．Xe的电离能最低，在同样的温度和激励条件下更容易发生电离，且它与铷原子的碰撞截面也最大．因此用Xe作为起辉气体时，就有更多的铷原子被激发到激发态参与发光，处于基态的铷原子较少，自吸收程度减轻．相比而言，Ar和Kr的电离能较高，碰撞截面也较小，自吸收也就较重．两者中Ar的电离能更高，所以充Ar谱灯的自吸收更严重．由图5~7还可看到，对每一种启辉气体，压力增大时自吸收程度都呈现减轻的趋势，表现形式是谱线出现自蚀的最低灯温（定义为自蚀温度）变高．以充Ar谱灯为例，气体压力为133.30Pa时，自蚀温度为95℃；压力为213.28Pa时，自蚀温度为100℃；压力为399.90Pa时，自蚀温度为125℃．这种现象是容易理解的．气体压力越大，则气体分子与铷原子的碰撞就更频繁，就有更多的铷原子处于激发态，处于基态的铷原子数量减少，自吸收程度因而减轻．

2.3激励功率对自吸收的影响射频激励功率与激励电路的直流功率成正比，因此实验中可以通过改变直流功率来改变射频激励功率．图8给出直流功率在1.6~5.9W范围变化时，三种起辉气体谱灯D2线超精细光谱轮廓．气体压力均为133.30Pa，工作温度均为115℃．由图8可看到，充Ar和充Kr谱灯在激励功率较低时，均存在较为严重的自吸收，但随着激励功率增大，自吸收逐渐减轻并最终消失．激励功率增大，处于基态的铷原子减少．当激励功率增大到一定值时，几乎所有的铷原子都将处于激发态而参与发光，参与自吸收的铷原子数量几乎为0，自吸收现象就会消失．充Xe谱灯的情况则有所不同．由于其电离能低，即使激励功率较低，Xe离子密度也可以大到可将几乎全部铷原子激发到激发态的程度，不易出现自蚀现象，如图8(c)所示．

3讨论

铷原子频标中，对原子选态效果有作用的是谱灯光谱中的b成分．基于图5~7，得到在正常激励功率（3W）条件下各种光谱灯D2线b成分的自蚀温度，列于表1．由表1可知，启辉气体压力相同时，充Ar谱灯自蚀温度最低，充Kr谱灯居中，充Xe谱灯最高．因此，为了消除或减轻谱灯的自蚀，可以选用电离能低的Xe作为起辉气体，还可以在起辉气体确定以后，选用尽可能低的灯泡工作温度．但需要指出的是，灯温的选用还必须考虑谱灯张弛振荡和光强的约束．张弛振荡是在一定灯温范围内，起辉气体和铷原子交替发光的现象，此时铷发光光强不稳定，是一种不可用的状态．灯温低于张弛温度时，光强虽稳但太弱[如图5(b)中温度低于115℃时的情形]，也不可用．因此用Ar或Kr作为起辉气体时，不能为了减轻自蚀而将灯温度降低到张弛温度以下．而根据我们的经验，两种谱灯的张弛温度在110~120℃范围，这就给完全消除自蚀现象造成困难．充Xe谱灯则不仅自蚀温度高达130℃，且在很大的灯温范围内没有观察到张弛振荡，因此很容易找到合适的灯温，既保证足够的光强和光强稳定性，又保证谱线轮廓不出现自蚀．目前国际上稳定度最高的铷原子频标采用的抽运光源就是充Xe的铷谱灯[6]，这应该与该种谱灯优良的光谱轮廓特性有关．图8的结果表明，采用适当高的射频激励功率，对减小铷谱灯光谱的自吸收是有好处的．需要说明的是，铷谱灯自吸收特性可能还与射频激励频率、振荡回路的Q值、灯泡长度尺寸和泡材料厚度等因素相关．弄清这些因素的影响，还需要更深入的研究．

4结论

本文利用F-P干涉仪超精细光谱测量技术，研究了三种常用的铷光谱灯发光光谱的自吸收特性．结果表明：（1）铷原子D2线的自吸收比D1线更严重；（2）起辉气体种类不同，自吸收程度也不同，存在较大差异，充Ar谱灯自吸收现象最重，充Kr谱灯次之，充Xe谱灯最轻；（3）起辉气体压力和谱灯射频激励功率增大，灯泡工作温度降低，自吸收效应可以减轻．本文解释了上述现象的物理原因，讨论了减轻光谱自吸收的技术对策．选用电离能较低的Xe气作为起辉气体，适当降低灯泡工作温度、增大气体压力和射频激励功率，都有助于达到减轻自吸收的目的．

作者：何胜国 郝强 许风 王芳 赵峰 钟达 梅刚华 单位：中国科学院原子频标重点实验室 中国科学院大学