铷原子d、d线的光谱分析与展宽机制

《铷原子d、d线的光谱分析与展宽机制》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、铷原子D1、D2线的光谱分析与展宽机制†国家自然科学基金（批准号：10974176）和浙江省自然科学基金（批准号：Y1090087）资助的课题杨静*E-mail:zbjjyj2005@126.com.潘佰良王亚娟刘云峰李美华（浙江大学物理系，杭州，310027）摘要：综合考虑铷原子两种同位素频移、压力展宽和D1、D2线的超精细分裂作用，建立了一个物理模型，结合实验参量，计算分析了铷原子D1、D2线的超精细光谱结构，得到与实验基本一致的模拟结果。定量分析了铷蒸气池中所充缓冲气体压强、组分和蒸气池温度对铷原子D1、D2线的光学碰撞截面的影响，计算比较了不同

2、气压时铷原子D1、D2线的线型与线宽信息，得到了一组优化参数组合，为深入理解碱金属原子D1、D2线的展宽机制及其与半导体激光的线型匹配提供了理论依据。关键词：铷原子D1、D2线压力展宽超精细光谱结构碰撞截面中图分类号：O4330引言半导体泵浦的碱金属蒸气激光（DPAL）由于其能输出高效率高功率的近红外激光，在激光冷却、定向能量传输、材料处理和大气传输等方面有广泛的应用前景，近些年来引起了研究人员极大兴趣和深入研究，并取得重要进展[1-5]。碱金属原子吸收谱线线宽与泵浦源半导体激光器线宽的匹配程度一直是影响DPAL激光功率与光束质量的重要因素,通常可采用

3、两种方法实现两者间的光谱线型匹配：一为压缩半导体激光器线宽至10GHz左右[6-14]，二为展宽碱金属原子吸收谱线线宽至10GHz左右[15-20]。对后者，可以采用在蒸气池中充入缓冲气体的方法，使用的缓冲气体主要有氦气和乙烷，氦气主要展宽D2吸收谱线使之与泵浦光线宽相匹配，乙烷主要用来提高两条精细分裂能级间的转移速率。本文以光泵铷蒸气激光为例，综合考虑同位素频移、超精细能级分裂和压力展宽的作用机制，结合实验参量，建立了一个物理模型计算分析了缓冲气压和组分、各超精细跃迁谱线对铷原子D1和D2吸收线的光谱结构和碰撞吸收截面的关系，得到了与实验基本一致的计

4、算结果。1铷原子D1、D2线的超精细结构在精细结构中，碱金属原子最外层电子的自旋角动量S与轨道角动量L耦合为其角动量。考虑原子核的自旋后，出现超精细分裂。J与碱金属原子核的自旋角动量I耦合为原子总角动量F，即（1）跃迁选择定则为（0到0跃迁禁止）。铷原子有两种同位素85Rb和87Rb，自然丰度fiso分别为0.7217和0.2783，对85Rb，I=3/2，对87Rb，I=5/2。铷原子的超精细分裂与精细分裂相比虽然小很多，但依然可以分辨。两种同位素的超精细结构如图1和图2[19,20]。根据选择定则，两种同位素的D1线和D2线的超精细分裂分别有4条和

5、6条。图185Rb和87Rb的D1线超精细结构Fig.1Thehyperfinestructureof85Rband87RbD1lines图285Rb和87Rb的D2线超精细结构Fig.2Thehyperfinestructureof85Rband87RbD2lines2Rb原子D1、D2线的光学碰撞截面考虑两种同位素和每条超精细跃迁谱线的贡献，Rb原子D1、D2线的光学碰撞截面为[15]：.（2）其中，表示的是处于基态原子总角动量；表示处于激发态原子总角动量。为朗德因子，其值列于表1。表1铷原子两种同位素的朗德因子87Rb85Rb2S1/22P1/2

6、2P3/22S1/22P1/22P3/22.00233110.66671.33622.00233130.66671.3362是跃迁的超精细结构的中心频率；，是不考虑超精细分裂的中心频率；是自发辐射速率；为基态的波尔兹曼分布：.（3）是跃迁的超精细线的相对强度，对两种同位素，每条跃迁谱线的相对强度为：.（4）的值满足.两种同位素的D1和D2线的值列于表2。表2铷原子超精细跃迁相对强度因子[11]S87Rb85RbF12F23D1（2S1/22P1/2）11/61/222/95/925/61/237/94/9D2（2S1/22P3/2）01/6___13/

7、10___15/121/2027/185/6325/121/4314/455/183___7/104___9/14式（2）中，为的Voigt线型，表达式为：.（5）其中为铷原子的质量；为波尔兹曼常数；为气体温度；为多普勒频移；为Lorentz线型：.（6）是碰撞导致的频移系数；为相应缓冲气体的压强；为洛伦兹线宽：.（7）为碰撞展宽系数；为沿光传播方向上的原子速度，理论上的变化范围是，根据计算，取积分范围为-500m/s到500m/s，铷原子D1和D2线的有关参数列于表3。表3Rb原子D1、D2线相关数据[11-12]D1（52S1/252P1/2）D2

8、（52S1/252P3/2）根据拜尔定律：（8）其中，为通过蒸气池的激光强度，为在频率处的入射