本发明属于光学频率测量领域，提出了一种结构简单的测量原子超精细结构的装置及方法。装置包括：第一激光器，原子样品池，磁屏蔽罩，分光平片，光电探测器，射频驱动源，平面反射镜，声光调制器系统和第二激光器。第一激光器发出的激光，通过原子样品池、分光平片后被光电探测器接收，第二激光器发出的激光，依次通过声光调制器系统、平面反射镜、分光平片后入射到原子样品池并与第一激光器的激光反向重合于原子样品池；第一激光器的激光频率与待测原子的基态能级|1＞到激发态能级|2＞共振，第二激光器的激光频率位于原子激发态能级|2＞到待测激发态能级|3＞共振跃迁附近；声光调制器系统与射频驱动源连接。本发明可以实现原子超精细结构的精确测量。
1.一种测量原子超精细结构的装置，其特征在于，包括第一激光器(1)、原子样品池(2)、磁屏蔽罩(3)、分光平片(4)、光电探测器(5)、射频驱动源(6)、平面反射镜(7)，声光调制器系统(8)和第二激光器(9)；
第一激光器(1)发出的激光，依次通过由磁屏蔽罩(3)包裹的原子样品池(2)，分光平片(4)后被光电探测器(5)接收，第二激光器(9)发出的激光，依次通过声光调制器系统(8)、平面反射镜(7)、分光平片(4)后入射到所述原子样品池(2)并与第一激光器(1)的激光反向重合于原子样品池(2)；
所述第一激光器(1)发出的激光频率锁定在原子的基态|1＞到激发态|2＞的超精细结构跃迁上，所述第二激光器(9)发出的激光频率锁定在原子激发态|2＞到激发态|3＞共振跃迁附近；
所述声光调制器系统(8)包括与射频驱动源(6)电连接的声光调制器(806)，所述射频驱动源(6)用于驱动声光调制器(806)，以实现第二激光器(9)输出激光的频率扫描；
所述声光调制器系统(8)还包括45°反射镜(801)、0°反射镜(802)、二分之一波片(803)、偏振分束棱镜(804)、四分之一波片(809)、第一透镜(805)、第二透镜(807)和收集池(808)，第二激光器(9)发出的激光，依次通过二分之一波片(803)、偏振分束棱镜(804)、四分之一波片(809)、第一透镜(805)后入射到声光调制器(806)中，由声光调制器(806)一次出射的零级光由收集池(808)收集，一次出射的一级光由0°反射镜(802)反射后沿原路返回声光调制器(806)，由声光调制器(806)二次出射的一级光经沿原路返回第一透镜(805)，并经四分之一波片(809)、偏振分束棱镜(804)、45°反射镜(801)后出射到平面反射镜(7)。
2.根据权利要求1所述的一种测量原子超精细结构的装置，其特征在于，还包括饱和吸收光谱锁定装置和FP腔锁定装置，所述饱和吸收光谱锁定装置用于锁定第一激光器(1)发出的激光频率，所述FP腔锁定装置用于锁定第二激光器(9)发出的激光频率。
3.一种测量原子超精细结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据原子的精细结构能级选择相对频率的激光器，将第一激光器(1)的激光锁定在待测原子的基态|1＞到激发态|2＞的超精细结构跃迁上，把第二激光器(9)的激光锁定在原子激发态|2＞到待测激发态能级|3＞共振跃迁附近；
步骤2：搭建光路，使第一激光器(1)发出的激光通过原子样品池(2)、分光平片(4)后入射到光电探测器，同时使第二激光器(9)发出的激光通过声光调制器系统(8)中的声光调制器(806)后，依次通过平面反射镜(7)、分光平片(4)后入射到所述原子样品池(2)并与第一激光器(1)的激光重合于原子样品池(2)；
步骤3：通过射频驱动源(6)连续扫描声光调制器系统(8)，使声光调制器系统(8)在不同的扫描电压下对第二激光器(9)发出的激光产生不同的频率偏移，并通过光电探测器(5)探测得到跃迁光谱，最后根据光谱上的跃迁峰和扫描电压的对应关系，以及扫描电压对应的频率值，计算得到相应能级间的精确频率间隔。
4.根据权利要求3所述的一种测量原子超精细结构的方法，其特征在于，所述步骤2中，声光调制器系统(8)还包括45°反射镜(801)、0°反射镜(802)、二分之一波片(803)、偏振分束棱镜(804)、四分之一波片(809)、第一透镜(805)、第二透镜(807)和收集池(808)，第二激光器(9)发出的激光，依次通过二分之一波片(803)、偏振分束棱镜(804)、四分之一波片(809)、第一透镜(805)后入射到声光调制器(806)中，由声光调制器(806)一次出射的零级光由收集池(808)收集，一次出射的一级光由0°反射镜(802)反射后沿原路返回声光调制器(806)，由声光调制器(806)二次出射的一级光经沿原路返回第一透镜(805)，并经四分之一波片(809)、偏振分束棱镜(804)、45°反射镜(801)后出射到平面反射镜(7)。
5.根据权利要求3所述的一种测量原子超精细结构的方法，其特征在于，所述步骤1中，使第一激光器通过饱和吸收光谱锁定在基态|1＞到激发态|2＞的超精细结构跃迁上，使第二激光器发出的激光分出一束入射到FP腔，当第二激光器发出的激光频率调谐到位于原子激发态|2＞到待测激发态|3＞共振跃迁附近时，将第二激光器的频率锁定在FP腔上。
一种测量原子超精细结构的装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于光学频率测量技术领域，具体涉及一种测量原子超精细结构的装置及方法。
背景技术
[0002] 原子超精细结构的测量在电荷相互作用，原子的宇称不守恒，基本物理常数的精密测量，高分辨率光谱及光学频率标准等方面具有很重要的作用。目前对于光谱超精细结构的测量比较常用的方法有法布里-珀罗腔，电光调制器，光学频率梳等。采用法布里-珀罗干涉腔测量频率时，由于自身的热波动和机械振动，导致其精度受限，所以测量结果会出现-4较大误差，通常的精度在10 ；采用电光调制器测量频率时，由于需要法布里-珀罗干涉腔作为辅助工具，增加了系统的复杂性；采用基于光学频率梳的测量方法具有较高的测量精度，而且其频谱范围宽，但是该设备价格昂贵，系统比较复杂。
发明内容
[0003] 本发明为了解决现有技术中原子超精细结构测量精度不高，测量系统复杂，测量成本高的问题，提供了一种精度高、结构简单的测量原子超精细结构的装置。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种测量原子超精细结构的装置，包括第一激光器、原子样品池、磁屏蔽罩、分光平片、光电探测器、射频驱动源、平面反射镜，声光调制器系统和第二激光器；第一激光器发出的激光，依次通过由磁屏蔽罩包裹的原子样品池，分光平片后被光电探测器接收，第二激光器发出的激光，依次通过声光调制器系统、平面反射镜、分光平片后入射到所述原子样品池并与第一激光器的激光反向重合于原子样品池；所述第一激光器发出的激光频率锁定在原子的基态|1＞到激发态|2＞的超精细结构跃迁上，所述第二激光器发出的激光频率锁定在原子激发态|2＞到激发态|3＞共振跃迁附近；所述声光调制器系统包括与射频驱动源电连接的声光调制器，所述射频驱动源用于驱动声光调制器，以实现第二激光器输出激光的频率扫描。
[0005] 所述声光调制器系统还包括45°反射镜、0°反射镜、二分之一波片、偏振分束棱镜、四分之一波片、第一透镜、第二透镜和收集池，第二激光器发出的激光，依次通过二分之一波片、偏振分束棱镜、四分之一波片、第一透镜后入射到声光调制器中，由声光调制器一次出射的零级光由收集池收集，一次出射的一级光由0°反射镜反射后沿原路返回声光调制器，由声光调制器二次出射的一级光经沿原路返回第一透镜，并经四分之一波片、偏振分束棱镜、45°反射镜后出射到平面反射镜。
[0006] 所述的一种测量原子超精细结构的装置，还包括饱和吸收光谱锁定装置和FP腔锁定装置，所述饱和吸收光谱锁定装置用于锁定第一激光器发出的激光频率，所述FP腔锁定装置用于锁定第二激光器发出的激光频率。
[0007] 本发明还提供了一种测量原子超精细结构的方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1：根据原子的精细结构能级选择相对频率的激光器，将第一激光器的激光锁定在待测原子的基态|1＞到激发态|2＞的超精细结构跃迁上，把第二激光器的激光锁定在原子激发态|2＞到待测激发态能级|3＞共振跃迁附近；
[0009] 步骤2：搭建光路，使第一激光器发出的激光通过原子样品池、分光平片后入射到光电探测器，同时使第二激光器发出的激光通过声光调制器系统中的声光调制器后，依次通过平面反射镜、分光平片后入射到所述原子样品池并与第一激光器的激光重合于原子样品池；
[0010] 步骤3：通过射频驱动源连续扫描声光调制器系统，使声光调制器系统在不同的扫描电压下对第二激光器发出的激光产生不同的频率偏移，并通过光电探测器探测得到跃迁光谱，最后根据光谱上的跃迁峰和扫描电压的对应关系，以及扫描电压对应的频率值，计算得到相应能级间的精确频率间隔。
[0011] 所述步骤2中，声光调制器系统还包括45°反射镜、0°反射镜、二分之一波片、偏振分束棱镜、四分之一波片、第一透镜、第二透镜和收集池，第二激光器发出的激光，依次通过二分之一波片、偏振分束棱镜、四分之一波片、第一透镜后入射到声光调制器中，由声光调制器一次出射的零级光由收集池收集，一次出射的一级光由0°反射镜反射后沿原路返回声光调制器，由声光调制器二次出射的一级光经沿原路返回第一透镜，并经四分之一波片、偏振分束棱镜、45°反射镜后出射到平面反射镜。
[0012] 所述步骤1中，使第一激光器通过饱和吸收光谱锁定在基态|1＞到激发态|2＞的超精细结构跃迁上，使第二激光器发出的激光分出一束入射到FP腔，当第二激光器发出的激光频率调谐到位于原子激发态|2＞到待测激发态|3＞共振跃迁附近时，将第二激光器的频率锁定在FP腔上。
[0013] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明的测量原子超精细结构的装置及方法通过两束激光对原子进行激发，一束激光的频率锁定在原子的基态|1＞到激发态|2＞的超精细结构跃迁上，另一束激光的频率锁定于原子激发态|2＞到待测激发态|3＞共振跃迁附近，并采用声光调制器系统实现第二激光器发出激光频率的扫描，不仅实现了原子超精细光谱的探测，利用声光调制器的偏移频率与扫描电压的对应关系，以及扫描过程中不同扫描电压对应不同的跃迁峰还可以得到相应的超精细能级间隔，即可以实现原子超精细结构的测量，具有易操作，精度高等优势，当采用声光调制器方法测量频率时，可以使用易于测量的射频源驱动声光调制器，精度相对较高，可以达到10-6，测量系统较为简单，测量成本低；此外，本发明采用声光调制器两次通过的技术方案，在声光调制器系统连续扫描的过程中光路并不会因为激光频率的变化而受到影响，从而使入射到原子样品池的两束激光入射方向保持稳定，测量系统简单易于调节。
附图说明
[0014] 图1为本发明实施例提出的一种测量原子超精细结构的装置的结构示意图；
[0015] 图2为本发明实施例测量的阶梯型原子能级图；
[0016] 图3为本发明中，第二激光器发出的光通过声光调制器系统的光路示意图；
[0017] 图4为利用本发明测量得到光谱图；
[0018] 图中：1第一激光器，2原子样品池，3磁屏蔽罩，4分光平片，5光电探测器，6射频驱动源，7平面反射镜，8声光调制器系统，9-第二激光器，801-45°反射镜、802-0°反射镜，803-二分之一波片，804-偏振分束棱镜，805-第一透镜，806-声光调制器，807-第二透镜，808-收集池，809-四分之一波片。
具体实施方式
[0019] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0020] 如图1所示，本发明实施例提供了一种测量原子超精细结构的装置，包括第一激光器1、原子样品池2、磁屏蔽罩3、分光平片4、光电探测器5、射频驱动源6、平面反射镜7，声光调制器系统8和第二激光器9；第一激光器1发出的激光，依次通过由磁屏蔽罩3包裹的原子样品池2，分光平片4后被光电探测器5接收，第二激光器9发出的激光，依次通过声光调制器系统8、平面反射镜7、分光平片4后入射到所述原子样品池2并与第一激光器1的激光反向重合于原子样品池2；如图2所示，所述第一激光器1发出的激光频率锁定在待测原子的基态|1＞到激发态|2＞的超精细结构跃迁上，所述第二激光器发出的激光频率锁定在原子激发态能级|2＞到待测激发态能级|3＞共振跃迁附近；其中，所述声光调制器系统8包括与射频驱动源6电连接的声光调制器806，所述射频驱动源6用于驱动声光调制器806，以实现第二激光器9输出激光的频率扫描。射频驱动源通过扫描驱动电压，可以实现声光调制器806的频率扫描，进而实现入射到原子样品池2的第二激光的激光频率的扫描。而且，第二激光器9发出的激光的锁定频率和声光调制器系统的频移频率可以根据需要设定，但应满足以下条件：第二激光器9发出的激光经声光调制器系统8扫描后，其频率范围应覆盖原子激发态|2＞到待测激发态|3＞的所有共振跃迁。
[0021] 进一步地，如图3所示，本发明实施例中，声光调制器系统包括45°反射镜801、0°反射镜802、二分之一波片803、偏振分束棱镜804、四分之一波片809、第一透镜805、声光调制器806、第二透镜807和收集池808，第二激光器9发出的激光，依次通过二分之一波片803、偏振分束棱镜804、四分之一波片809、第一透镜805后入射到声光调制器806中，由声光调制器806一次出射的零级光由收集池808收集，一次出射的一级光由0°反射镜802反射后沿原路返回声光调制器806，由声光调制器806二次出射的一级光经沿原路返回第一透镜805，并经四分之一波片809、偏振分束棱镜804、45°反射镜801后出射到平面反射镜7，两次通过声光调制器系统8的激光经平面反射镜7、分光平片4后入射到所述原子样品池2。激光首次通过声光调制器时会产生一级偏频光束，此光束与输入激光有确定的频率差且与原光束有固定角度，当此光束经反射镜反射后再次沿原路径通过声光调制器，一次出射偏频光束再次通过声光调制器后，其二次出射产生的一级偏频光束方向会与最初入射到声光调制器的光束的方向相同，但是输入光束与输出光束有确定的频率差，由于输入激光两次经过四分之一波片809，偏振改变90度，因此两次通过声光调制器后输出的激光返回偏振分束棱镜804时会从偏振分束棱镜804的反射端输出，其优势是在扫描声光调制器时光路并不会因为频率改变而受到影响。从图3中可以看出，激光两次通过声光调制器系统后，其出射光路与原光路重合，即使电压扫描时改变了声光调制器系统对激光的偏移频率，但最终入射到原子样品池2的光路也不会发生变化，保证了探测光谱的稳定度。
[0022] 进一步地，本实施例的一种测量原子超精细结构的装置，还包括饱和吸收光谱锁定装置和FP腔锁定装置，所述饱和吸收光谱锁定装置用于锁定第一激光器1发出的激光频率，所述FP腔锁定装置用于锁定第二激光器9发出的激光频率。测量时，只需在波长计等仪器的辅助下，将第二激光器的波长调谐到到原子激发态能级|2＞到待测激发态能级|3＞共振跃迁（理论值）附近，即可以通过FP腔对第二激光器的激光波长进行锁定，第二激光器的激光波长锁定后，通过声光调制器系统的频率扫描，即可以覆盖待测的激发态能级|3＞的超精细结构频率范围。
[0023] 相应地，本发明实施例还提供了一种测量原子超精细结构的方法，包括以下步骤：
[0024] 步骤1：根据原子的精细结构能级选择相应频率的激光器，将第一激光器1的激光频率锁定在待测原子的基态|1＞到激发态|2＞的超精细结构跃迁上，将第二激光器9的激光频率锁定在原子激发态|2＞到激发态|3＞的共振跃迁附近。
[0025] 其中，第一激光器1通过饱和吸收光谱锁定在基态|1＞到激发态|2＞的超精细结构跃迁上，通过原子的饱和吸收光谱进行频率锁定为本领域的比较常用的技术，在此不做赘述。第二激光器可以采用钛宝石激光器，其激光频率锁定的方法如下：将第二激光器发出的激光分出一束入射到FP腔，对第二激光器发出激光进行频率调谐，并通过波长计探测第二激光器的激光波长或频率，当第二激光器9发出的激光频率调谐到位于原子激发态|2＞到激发态|3＞共振跃迁附近时，探测FP腔的透射峰，将第二激光器的频率锁定在FP腔上。
[0026] 步骤2：搭建光路，使第一激光器1发出的第一激光束通过原子样品池2、分光平片4后入射到光电探测器，同时使第二激光器9发出的第二激光束两次通过声光调制器系统8中的声光调制器（806）后，依次通过平面反射镜7、分光平片4后入射到所述原子样品池2并与第一激光器1入射到原子样品池2的激光反向重合。
[0027] 步骤3：通过射频驱动源6连续扫描声光调制器系统8，使声光调制器系统8在不同的扫描电压下对第二激光器9发出的激光产生不同的频率偏移，并通过光电探测器5探测得到跃迁光谱，由于入射到原子样品池的第二激光束频率的不断变化，可以得到如图4所示的光谱；不同的扫描电压会对应不同的跃迁峰A，B，C，最后根据光谱上的跃迁峰和扫描电压的对应关系，以及扫描电压对应的频率值，计算得到相应能级间的精确频率间隔，也就是原子的超精细结构。
[0028] 本发明中通过双光子光谱测量原子的超精细结构，采用两步激发，首先将第一激光束锁定在原子基态|1＞到激发态|2＞的超精细跃迁结构跃迁上，第二激光束的激光频率锁定在原子激发态|2＞到激发态|3＞共振跃迁附近，当通过声光调制器系统对第二激光束的频率进行扫描时，第二激光束的频率会与原子激发态能级|2＞到待测激发态能级|3＞的各个超精细能级A、B、C产生能级共振，从而产生超精细跃迁光谱。实验中根据需要精确锁定第一激发光和第二激发光的频率，然后利用驱动源与声光调制器系统可以连续精确扫描的优势扫描第二激发光，由于不同的扫描电压会使声光调制器系统对第二激发光产生不同的频率偏移，利用频率偏移与扫描电压之间的对应关系，则根据不同扫描电压所对应的不同的跃迁峰，可以得到待测激发态能级|3＞精确的超精细能级。
[0029] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
