研究原子高激發(fā)態(tài)碰撞效應(yīng)的新方法

摘 要：物質(zhì)世界由原子分子構(gòu)成，對原子分子碰撞進(jìn)行的研究，能幫助我們更好的了解微觀粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及相關(guān)規(guī)律。碰撞效應(yīng)包括譜線的頻移和展寬，譜線的線性非對稱性和譜線伴線等現(xiàn)象。其中碰撞引起的原子高激發(fā)態(tài)譜線展寬和頻移是碰撞效應(yīng)的重要組成部分，對近年來興起的量子通訊和量子計(jì)算領(lǐng)域研究具有極其重要的作用。雙光子共振非簡并四波混頻作為一種擁有高分辨率的激光光譜學(xué)技術(shù)，被發(fā)現(xiàn)在研究原子高激發(fā)態(tài)的碰撞效應(yīng)方面具有比現(xiàn)代碰撞測量技術(shù)更為優(yōu)秀的表現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：碰撞效應(yīng)；里德伯態(tài)；四波混頻

1碰撞效應(yīng)

1.1 碰撞問題的發(fā)展

早在16世紀(jì)，物理學(xué)家就開始提出與碰撞相關(guān)的問題，并且在長期的研究過程中逐漸建立了相應(yīng)的理論，來探索碰撞問題并研究其規(guī)律及特點(diǎn)。其中，最著名的成就之一，就是牛頓在總結(jié)了物體之間相互碰撞的規(guī)律，并進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)之后，提出了作用與反作用定律，極大的促進(jìn)了人們對碰撞問題的探索。只是，當(dāng)時(shí)對碰撞問題的研究還僅限于宏觀物體。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，到近現(xiàn)代，物理學(xué)界對碰撞問題的探索早已深入到微觀領(lǐng)域。19世紀(jì)初，盧瑟?；谂鲎怖碚摚M(jìn)行了著名的α粒子散射實(shí)驗(yàn)，提出了原子的有核模型，認(rèn)為原子內(nèi)存在原子核，原子核很小，并且原子的大部分質(zhì)量都集中在原子核上。1925年，弗蘭克和赫茲在研究電子與惰性氣體碰撞的性質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了電子和分子之間的彈性碰撞。19世紀(jì)末，科學(xué)家們深入的研究了電子與質(zhì)子及束縛中子的非彈性碰撞。我們知道，物質(zhì)世界是由原子分子構(gòu)成的，在微觀領(lǐng)域?qū)ε鲎矄栴}進(jìn)研究，有助于我們更好的了解原子分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及相關(guān)規(guī)律。所以，在粒子碰撞方面的探究，正在吸引人們越來越多的研究熱情。目前碰撞效應(yīng)的研究主要集中在原子和原子間的碰撞現(xiàn)象。

1.2 碰撞問題分類

碰撞效應(yīng)是指當(dāng)一個(gè)粒子同其他原子或分子等發(fā)生相互碰撞的時(shí)候，其固有的輻射頻率發(fā)生了變化。在碰撞過程中，根據(jù)是否存在原子激發(fā)，可以分為彈性碰撞和非彈性碰撞。

（1）彈性碰撞

如果在碰撞過程中粒子的總動(dòng)能沒有發(fā)生改變，只是在粒子間相互傳遞，而且沒有引起粒子內(nèi)能的變化，也沒有引發(fā)能級躍遷，這樣的過程即為彈性碰撞。當(dāng)粒子間發(fā)生彈性碰撞時(shí)，在發(fā)光過程中會(huì)使粒子的相位發(fā)生突變，從而引起譜線的頻移與展寬。

（2）非彈性碰撞

在碰撞過程中，不僅粒子的動(dòng)能發(fā)生了改變，同時(shí)也引起了粒子內(nèi)能的變化，在碰撞后一部分粒子內(nèi)能增加，并且增加值足以引發(fā)其由低能級到高能級的躍遷，并伴隨有原子輻射，這個(gè)過程就稱為為非彈性碰撞。只有在非彈性碰撞的過程中才可能存在原子激發(fā)[1]。在此過程中我們可以發(fā)現(xiàn)一些有趣的現(xiàn)象，比如出現(xiàn)了伴線和發(fā)生了譜線移動(dòng)，也就是發(fā)生了能級再分布現(xiàn)象，這可以幫助我們實(shí)現(xiàn)在原子中存在的某些光學(xué)禁戒躍遷[2]。

總之，原子間的彈性碰撞主要表現(xiàn)為原子譜線的展寬和頻移，非彈性碰撞主要表現(xiàn)為原子譜線的伴線現(xiàn)象。

1.3 原子間碰撞效應(yīng)的研究方法

處于原子的高激發(fā)態(tài)的價(jià)電子與原子核間的距離很大，受到原子核作用力很小，因而價(jià)電子可以在高激發(fā)態(tài)的軌道上存在很長的時(shí)間。在同一時(shí)刻，價(jià)電子躍回低能量態(tài)所發(fā)出的熒光極弱，難于被觀測到。所以現(xiàn)代測量技術(shù)在先用激光將原子激發(fā)到高激發(fā)態(tài)后并不觀測電子由高激發(fā)態(tài)向下躍遷產(chǎn)生的熒光，而是外加電場，將處于高激發(fā)態(tài)的電子電離掉，然后通過電路測量電離后的電子和離子來間接獲得高激發(fā)態(tài)的碰撞信息。這樣就造成了實(shí)驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜，測量到的高激發(fā)態(tài)的碰撞展寬不是兩個(gè)特定能態(tài)間相互作用的結(jié)果。

2四波混頻

2.1 四波混頻的特點(diǎn)

四波混頻是有四束光波參與的非線性光學(xué)過程，其中的三束光為入射激光，第四束為沿確定方向出射的信號光。具有共振激發(fā)的四波混頻（FWM）是一種用途很廣的高分辨率激光光譜學(xué)技術(shù)。它在分析化學(xué)、燃燒和材料研究等很多領(lǐng)域里都有重要應(yīng)用。它具有高分辨率，可以消除強(qiáng)熒光背景和超快動(dòng)態(tài)的時(shí)間分辨測量能力，因此比其他技術(shù)更為優(yōu)越。而其中的共振增強(qiáng)非簡并四波混頻（NFWM），更具有優(yōu)秀的空間信號分辨率，可自由選擇相互作用體積和簡單的光路結(jié)構(gòu)，并且相位匹配可以在很寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)的突出優(yōu)勢，從而在四波混頻光譜學(xué)中最為優(yōu)異[3]。

近年來，人們將共振增強(qiáng)非簡并四波混頻應(yīng)用在原子高激發(fā)態(tài)的研究領(lǐng)域，取得了突出進(jìn)展。最近更將之用于研究原子的碰撞效應(yīng)，成為了一種研究碰撞效應(yīng)的新工具。

2.1 共振增強(qiáng)非簡并四波混頻的原理

用于研究原子高激發(fā)態(tài)碰撞效應(yīng)的四波混頻為雙光子共振非簡并四波混頻。它的光路結(jié)構(gòu)簡單，如圖1（a）所示[4]。光束2和2具有相同的頻率 ，它們間有一個(gè)小夾角 ，光束1的頻率是 ，它沿與光束2相反的方向入射到樣品池中。如圖1（b）所示的三能級結(jié)構(gòu)中，光束1和2共同作用將原子的價(jià)電子由能級 態(tài)激發(fā)到能級 態(tài)上，這是一個(gè)雙光子參與的過程。之后，光束2使價(jià)電子躍遷至能級 附近，進(jìn)而產(chǎn)生頻率為 ，沿幾乎與光束2相反方向的信號光。其中光束1和2的頻率和 + 越接近 和 能級的固有頻率 ，就會(huì)獲得越多的 能級對NFWM過程的共振增強(qiáng)，使四波混頻信號極大增強(qiáng)，從而雙光子共振非簡并四波混頻的譜線反映了能級 的頻率和分布。

圖1 雙光子共振非簡并四波混頻原理圖

（a）光路圖；（b）能級結(jié)構(gòu)圖

3.應(yīng)用雙光子共振非簡并四波混頻研究原子高激發(fā)態(tài)的碰撞效應(yīng)

圖2 不同緩沖氣壓下，鋇原子6s16d 1D2態(tài)的NFWM譜線

近年來，人們開始采用雙光子共振非簡并四波混頻研究原子高激發(fā)態(tài)的碰撞效應(yīng)，例如孫江等學(xué)者采用雙光子共振非簡并四波混頻的方法對鋇原子里德伯態(tài)的碰撞效應(yīng)進(jìn)行了測量[4]。他們將氬氣作為緩沖氣體，研究樣品爐中鋇原子（蒸汽）和氬原子發(fā)生的碰撞效應(yīng)。圖2是鋇原子高激發(fā)態(tài)6s16d1D2的NFWM譜線。圖中可以看到當(dāng)緩沖氣壓（反映了氬原子和鋇原子發(fā)生碰撞的頻率）由133.32帕斯卡（Pa）增加到79999帕斯卡（Pa）的過程中，6s16d 1D2態(tài)的四波混頻譜線不斷展寬，其共振頻率也向左發(fā)生了移動(dòng)。由于雙光子共振NFWM的譜線反映了鋇原子6s16d1D2態(tài)的頻率和形狀，該圖直觀的展示了碰撞引起的6s16d1D2態(tài)的展寬和頻移。

采用雙光子共振非簡并四波混頻研究原子的高激發(fā)態(tài)碰撞效應(yīng)，具有光路簡單，采用實(shí)驗(yàn)設(shè)備少的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該方法研究的是和能級能級間的碰撞展寬，對于量子信息和量子技術(shù)具有重要意思。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢汝蘭.碰撞與原子的激發(fā)[J].濟(jì)寧師專學(xué)報(bào)，1999，20（6）：26.

[2] Zhiying Li. Inelastic collisions in ultracold gases confined by. one-dimensional optical lattices[J]. Phys. Rev.A.81， 012701 （2010）.

[3] Y. R. Shen. The Principles of Nonliner Optics[M].John Willey &Sons， Inc. New York，1984.

[4] Sun J， Sun J， Wang Y， Su H X 2012 Acta Phys. Sin. 61 124205 （in Chinese） [孫江， 劉鵬， 孫娟， 蘇紅新， 王穎2012 物理學(xué)報(bào) 61 124205].

作者簡介：常曉陽（1987-），男，漢族，山西省長治市人，河北大學(xué)光學(xué)碩士，單位：河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，研究方向：非線性光學(xué)。