Ne原子無多普勒光譜測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的梯度型設(shè)計(jì)

黃婉慧，張?jiān)姲?，?莉，成 琳，秦菱澤，忻 靜，尹亞玲,洪顯峰

(1.華東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，上海 200241；2.安徽省科大奧銳科技有限公司，安徽 合肥 230089)

光譜測(cè)量是人類了解原子、分子、化合物等微觀與宏觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要研究手段，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、航天、科研等多個(gè)領(lǐng)域. 隨著人類對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)的不斷深入，應(yīng)用的不斷拓展，對(duì)光譜測(cè)量分辨率、信噪比的要求不斷地提高，因此產(chǎn)生了許多高分辨、高靈敏度的光譜測(cè)量技術(shù)，比如：多光子熒光光譜、超聲射流光譜、光電流光譜、光電離質(zhì)譜、無多普勒光譜等[1]. 其中無多普勒光譜技術(shù)是在常溫常壓下，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨光譜測(cè)量的有效技術(shù)手段.

導(dǎo)致光譜分辨率降低的主要因素有能級(jí)壽命引起的自然展寬、碰撞引起的碰撞展寬、原子分子運(yùn)動(dòng)引起的多普勒展寬等，當(dāng)不同能級(jí)的光譜峰位距離較近，由于上述的展寬機(jī)制會(huì)引起光譜譜峰的相互重疊，因此測(cè)量到的光譜是準(zhǔn)連續(xù)的光譜譜帶，原子、分子與物質(zhì)結(jié)構(gòu)更加精細(xì)的結(jié)構(gòu)信息被掩蓋起來. 需要設(shè)計(jì)特殊的光譜測(cè)量技術(shù)來減小展寬機(jī)制對(duì)光譜測(cè)量的影響.

在自行設(shè)計(jì)研制的“超快光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”針對(duì)光譜學(xué)設(shè)計(jì)，專業(yè)性較強(qiáng). 平臺(tái)將面向?qū)ο蠓ㄓ糜谔摂M實(shí)驗(yàn)建模，用程序仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，通過鼠標(biāo)操作，可以在平臺(tái)上搭建光路，可以對(duì)激光脈沖進(jìn)行頻域、時(shí)域、空間分布的測(cè)量，利用泵浦-探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)原子能級(jí)布居進(jìn)行高靈敏動(dòng)態(tài)特性測(cè)量，在高分辨光譜測(cè)量進(jìn)行交互式實(shí)時(shí)虛擬實(shí)驗(yàn)操作. 與同類型物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相比能更具針對(duì)性地解決實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)安全等問題[2-6].

“超快光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[6-7]，根據(jù)學(xué)生認(rèn)知從易到難的特點(diǎn)，基于建構(gòu)主義[8]與學(xué)習(xí)分層次學(xué)習(xí)理論[9]，設(shè)計(jì)6個(gè)無多普勒展寬梯度型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)：多普勒展寬的吸收光譜、激發(fā)光譜、無多普勒展寬的腔外強(qiáng)度飽吸收光譜、強(qiáng)度內(nèi)調(diào)制光譜、偏振光譜、偏振內(nèi)調(diào)制光譜. 6個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理設(shè)計(jì)，從多普勒展寬的產(chǎn)生機(jī)理，到消除多普勒展寬的理論，再到消除多普勒展寬的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，最后到完全消除多普勒的超高分辨的光譜測(cè)量；在技術(shù)層面的梯度為：多普勒展寬光譜僅使用1束光激發(fā)，產(chǎn)生熒光即可實(shí)現(xiàn)熒光測(cè)量，但掩蓋了真實(shí)的能級(jí)峰位，用2束光相對(duì)入射將入射激光波長(zhǎng)調(diào)諧至原子分子本征吸收能級(jí)，僅僅激發(fā)速度為零的分子，并利用鎖相放大技術(shù)實(shí)現(xiàn)高靈敏光譜測(cè)量；為了消除剩余的多普勒展寬效應(yīng)，再利用偏振選擇定則結(jié)合偏振調(diào)制技術(shù)可以完全消除多普勒展寬，實(shí)現(xiàn)原子分子超高分辨光譜測(cè)量. 通過對(duì)6個(gè)實(shí)驗(yàn)理論與實(shí)驗(yàn)的難度的梯形設(shè)計(jì)，將知識(shí)與技術(shù)難度進(jìn)行了合理分解與設(shè)置，為學(xué)生實(shí)現(xiàn)了循序漸進(jìn)學(xué)習(xí)過程，順利達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)提供了有效的途徑.

已經(jīng)將無多普勒展寬系列虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于“光譜測(cè)量技術(shù)”理論課教學(xué)中，學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作，對(duì)多普勒展寬、蘭姆凹陷、原子飽和吸收、原子偏振選擇吸收等基本光與物質(zhì)相互作用的概念理解更加深刻，對(duì)于消除多普勒展寬的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想領(lǐng)悟得更加透徹，同時(shí)掌握了鎖相放大靈敏探測(cè)技術(shù)使用方法與適用范圍.

1 多普勒展寬機(jī)理與消除方法

由于發(fā)光原子相對(duì)于觀察者或檢測(cè)器運(yùn)動(dòng)而使觀察到的光波頻率發(fā)生變化現(xiàn)象，被稱為光學(xué)多普勒效應(yīng). 設(shè)運(yùn)動(dòng)速度為u1的原子處于較高能級(jí)ε2，發(fā)射頻率為ν沿z軸方向傳播的光子后躍遷到較低能級(jí)ε1，速度變?yōu)閡2. 根據(jù)光量子理論、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，可以得到具有多普勒效應(yīng)的發(fā)射光子的頻率為[1]

(1)

式中，ν0為原子發(fā)射光子的本征頻率，c為光速，uz為發(fā)光原子朝著探測(cè)器運(yùn)動(dòng)時(shí)速度在z方向的分量. 當(dāng)uz為正時(shí)，觀測(cè)到的頻率高于原子發(fā)射本征頻率；當(dāng)發(fā)光原子遠(yuǎn)離探測(cè)器運(yùn)動(dòng)時(shí)uz為負(fù)，觀測(cè)到的頻率低于原子發(fā)射本征頻率. 通常，氣體中原子或分子處于無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)的速度和方向各不相同，因此多普勒效應(yīng)引起的頻移各不相同. 根據(jù)熱平衡下氣體分子的速度服從麥克斯韋分布，可以得到包含多普勒展寬的光譜線的強(qiáng)度分布為[1]

ID(ν′)=I(ν0)gD(ν′)=

(2)

(3)

從式(3)可以看出光譜的多普勒展寬與絕對(duì)溫度T的平方根成正比，與原子相對(duì)質(zhì)量m的平方根成反比.

2 利用蘭姆凹陷消除多普勒展寬效應(yīng)

自然展寬、碰撞展寬、多普勒展寬使光譜成準(zhǔn)連續(xù)分布，原子、分子與物質(zhì)更精細(xì)結(jié)構(gòu)信息被掩蓋. 自然線寬反映了能級(jí)壽命，無法消除；碰撞展寬可以通過降低氣體壓強(qiáng)減少原子、分子之間的碰撞來消除；多普勒展寬可以通過降低溫度減少分子運(yùn)動(dòng)速度來消除，但在常溫常壓下則需要特殊技術(shù)手段來消除. 下面，將利用原子能級(jí)的飽和吸收效應(yīng)、偏振選擇吸收來消除多普勒展寬.

當(dāng)1束入射光作用于處于熱運(yùn)動(dòng)的二能級(jí)原子. 設(shè)頻率為ω的單色光沿z方向通過樣品池. 原子吸收該入射光后從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，當(dāng)激發(fā)與躍遷處于穩(wěn)定平衡時(shí)，可以得到處于基態(tài)原子數(shù)N1(uz)和激發(fā)態(tài)原子數(shù)N2(uz)為[1]：

(4)

(5)

利用2束頻率相同的激光相對(duì)入射激發(fā)原子，通過測(cè)量布居數(shù)速度分布曲線上的貝納特孔，實(shí)現(xiàn)無多普勒飽和吸收光譜測(cè)量. 設(shè)正向入射光為泵浦波E0cos (ωt-kz)，經(jīng)過反射鏡反射部分泵浦波作為探測(cè)波E0cos (ωt+kz). 2束光波在多普勒分布曲線ΔN(uz)上燒出了2個(gè)速度分別位于uz=+(ω0-ω)/k，uz=-(ω0-ω)/k處的貝納特孔，如圖1(b)所示. 調(diào)諧入射光的頻率ω逐漸接近原子本征吸收頻率，布居數(shù)速度分布曲線上2個(gè)貝納特孔將在uz=0處合并，2束光波與uz=0的同一群原子相互作用，飽和參量S增大1倍，光對(duì)ΔN(uz=0)的消耗最大，因此在吸收曲線α(ω)上出現(xiàn)了1個(gè)吸收系數(shù)減小蘭姆凹陷，如圖1(c)所示. 由于被激發(fā)的原子速度為0，因此不存在多普勒展寬，蘭姆凹陷是無多普勒凹陷，其線型為洛侖茲型[1].

(a)基態(tài)能級(jí)布居N1的“燒孔”與激發(fā)態(tài)能級(jí)布居N2的“凸峰”

3 Ne原子無多普勒光譜測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的梯度型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在自行設(shè)計(jì)的“超快光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上[7-8]，基于建構(gòu)主義[9]與學(xué)習(xí)分層次學(xué)習(xí)理論[10]，依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知能力，設(shè)計(jì)了包含知識(shí)梯度和技術(shù)梯度的6個(gè)測(cè)量Ne原子無多普勒展寬的實(shí)驗(yàn)：含多普勒展寬的熒光光譜和多普勒展寬激發(fā)光譜、無多普勒展寬的腔外強(qiáng)度飽和吸收光譜、強(qiáng)度內(nèi)調(diào)制光譜、偏振光譜、偏振內(nèi)調(diào)制光譜.

6個(gè)系列實(shí)驗(yàn)的難度梯度設(shè)計(jì)包含知識(shí)梯度與技術(shù)梯度，如圖2所示：

圖2 Ne原子無多普勒展寬光譜測(cè)量虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的梯度型設(shè)計(jì)思路

1)知識(shí)梯度

a.多普勒展寬產(chǎn)生機(jī)理. 利用蘭姆凹陷實(shí)現(xiàn)無多普勒展寬測(cè)量；

b.原子能級(jí)對(duì)線偏振光的飽和吸收效應(yīng). 原子能級(jí)對(duì)不同圓偏振光選擇飽和吸收效應(yīng).

2)技術(shù)梯度

a.1束線偏振光激發(fā)原子產(chǎn)生熒光. 2光束線偏振光相對(duì)入射激發(fā)原子消除多普勒展寬效應(yīng). 1束圓偏振光與1束線偏振光相對(duì)入射完全消除多普勒展寬.

b.光譜儀直接測(cè)量: 鎖相放大靈敏探測(cè)技術(shù). 偏振調(diào)制靈敏探測(cè)技術(shù).

按照知識(shí)關(guān)聯(lián)程度，將6個(gè)實(shí)驗(yàn)分成3組實(shí)驗(yàn)：熒光光譜與激發(fā)光譜、無多普勒展寬腔外強(qiáng)度飽和吸收光譜與強(qiáng)度內(nèi)調(diào)制光譜、無多普勒展寬偏振光譜與偏振內(nèi)調(diào)制光譜. 通過對(duì)6個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作，學(xué)生將循序漸進(jìn)地掌握無多普勒光譜測(cè)量的實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)踐操作.

“超快光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”[7]提供了上述3組實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)器材：連續(xù)532 nm激光器、染料激光器、光柵單色儀、斬波器、鎖相放大器、偏振調(diào)制器、光電探測(cè)器等多種光學(xué)元件與相關(guān)設(shè)備. 學(xué)生在此虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上自行搭建光路，實(shí)現(xiàn)Ne原子無多普勒光譜的測(cè)量.

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

1)熟悉染料激光器的工作原理及波長(zhǎng)調(diào)諧的原理與操作；

2)掌握多普勒展寬的產(chǎn)生機(jī)制和利用蘭姆凹陷消除多普勒展寬的原理；

3)掌握飽和吸收原理、偏振選擇定則、鎖相放大技術(shù)、偏振調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)光譜靈敏探測(cè)的物理原理和技術(shù)手段；

4)通過比較多普勒展寬與無多普勒展寬的本質(zhì)區(qū)別，了解Ne原子的能級(jí)結(jié)構(gòu).

實(shí)驗(yàn)步驟:

1)打開染料激光器，觀察其內(nèi)部機(jī)構(gòu)，了解染料激光器的工作原理；

2)利用功率計(jì)和光柵光譜儀觀察和測(cè)量染料激光器功率的變化和波長(zhǎng)的調(diào)諧；

3)在虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)上搭建光路測(cè)量Ne原子的熒光光譜和激發(fā)光譜，比較2種光譜的鏡像對(duì)稱關(guān)系與波長(zhǎng)移動(dòng)；

4)在虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)上搭建強(qiáng)度調(diào)制飽和吸收與強(qiáng)度內(nèi)調(diào)制光譜測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置，并利用斬波器、鎖相放大器、光電倍增管實(shí)現(xiàn)光譜靈敏探測(cè). 調(diào)諧染料激光器輸出波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)無多普勒光譜測(cè)量；

5)在虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)上搭建偏振調(diào)制飽和吸收與偏振內(nèi)調(diào)制光譜測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置，并利用起偏器、1/4波片、偏振調(diào)制器、光電倍增管實(shí)現(xiàn)光譜靈敏探測(cè). 調(diào)諧染料激光器輸出波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)無多普勒光譜測(cè)量；

6)通過光譜獲取Ne原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)，分析比較多普勒展寬光譜與無多普勒展寬光譜的區(qū)別.

3.1 熒光光譜與激發(fā)光譜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

Ne原子的熒光光譜與激發(fā)光譜測(cè)量光路如圖3所示. 利用摻釹釩酸釔晶體激光器輸出的532 nm連續(xù)激光作為泵浦源激發(fā)染料激光器，選擇染料激光器中的“Pyridine1,2”作為激發(fā)源，產(chǎn)生665～745 nm可調(diào)諧連續(xù)激光，如圖3(a)所示. 2光路均采用1束光激發(fā)Ne原子樣品盒，在與入射光垂直的方向上利用透鏡收集Ne原子熒光，入射到光柵光譜儀中，如圖3(b)和(d)所示. 熒光光譜采用固定入射激光波長(zhǎng)，掃描光柵光譜儀，在計(jì)算機(jī)軟件界面上獲得如圖3(c)所示的包含多普勒展寬的熒光光譜，可以看到在熒光峰的下面有強(qiáng)度較大的多普勒展寬信號(hào)，掩蓋了精細(xì)結(jié)構(gòu). 將光柵光譜儀掃描至Ne原子熒光最強(qiáng)峰位置，計(jì)算機(jī)與染料激光器連接，通過計(jì)算機(jī)軟件

控制掃描染料激光器的波長(zhǎng)，獲得如圖3(e)所示的激發(fā)光譜，激發(fā)光譜有較高的多普勒展寬底座，與熒光光譜成“鏡像”對(duì)稱關(guān)系，且比熒光光譜波長(zhǎng)短. 為了更清楚地了解分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)， 需要采用2光束相對(duì)入射通過測(cè)量蘭姆凹陷來消除多普勒展寬.

(a)熒光光譜實(shí)驗(yàn)光路圖

3.2 無多普勒展寬的腔外強(qiáng)度飽和吸收光譜和強(qiáng)度內(nèi)調(diào)制光譜測(cè)量

第2組實(shí)驗(yàn)為Ne原子的腔外強(qiáng)度飽和吸收光譜和強(qiáng)度內(nèi)調(diào)制光譜，其實(shí)驗(yàn)原理均是利用測(cè)量蘭姆凹陷來消除多普勒展寬. 圖4(a)所示為無多普勒腔外強(qiáng)度飽和吸收光光譜光路. 利用分束鏡將2束光以5∶1分為泵浦光和探測(cè)光，盡量接近180°相向入射到Ne原子樣品上. 在泵浦光束上放置斬波器，其斬波頻率信號(hào)輸入鎖相放大器，探測(cè)光被光電倍增管接收，信號(hào)輸入到鎖相放大器，利用鎖相放大技術(shù)實(shí)現(xiàn)微小信號(hào)的靈敏測(cè)量[8]. 當(dāng)Ne原子吸收了能量較強(qiáng)的泵浦光束中的光子處于飽和狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生飽和效應(yīng)，對(duì)于探測(cè)光束的光子吸收減弱，因此探測(cè)光束經(jīng)過樣品后透射光束會(huì)增強(qiáng). 利用計(jì)算機(jī)控制染料激光器，調(diào)諧激光波長(zhǎng)至Ne原子的吸收峰頻率處，速度為零的原子對(duì)泵浦光束中的光子進(jìn)行吸收，探測(cè)光攜帶了Ne原子能級(jí)躍遷的信息，并且無多普勒展寬效應(yīng)，獲得光譜如圖4(b)所示. 從光譜圖中可以看出，其光譜形狀與激發(fā)光譜類似，其峰位反映了Ne原子的吸收能級(jí)，多普勒展寬的強(qiáng)度大大降低，右邊出現(xiàn)了熒光光譜與激發(fā)光譜中被多普勒展寬掩蓋的更精細(xì)的峰位. 由于2束光是以一定夾角入射，并沒有真正完全相對(duì)入射，仍然存在剩余的多普勒展寬背景，因此在此光譜技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，形成強(qiáng)度內(nèi)調(diào)制光譜測(cè)量，減少多普勒展寬效應(yīng)對(duì)光譜的影響. 強(qiáng)度內(nèi)調(diào)制光譜測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4(c)所示. 利用1∶1的分束器將1束光分成2束能量相等的光，分別進(jìn)入斬波器的內(nèi)外孔徑，同時(shí)接受斬波器調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)差頻鎖相放大的靈敏測(cè)量. 利用反射鏡將2束光完全相對(duì)地入射到樣品上，在與光束垂直的方向上，用透鏡接收熒光，由光電倍增光接收信號(hào)，輸入到鎖相放大器中. 由于2光束完全相對(duì)入射，且采用差頻技術(shù)降低雜散信號(hào)的影響，其光譜圖如圖4(d)所示，其殘存本底是由于原子間碰撞引起速度變化導(dǎo)致多普勒加寬的本底.

(a)強(qiáng)度飽和吸收光譜實(shí)驗(yàn)光路圖

3.3 無多普勒展寬的偏振飽和吸收光譜和偏振內(nèi)調(diào)制光譜測(cè)量

第3組實(shí)驗(yàn)為Ne原子的偏振飽和吸收光譜和偏振內(nèi)調(diào)制光譜測(cè)量，利用原子的偏振選擇飽和吸收達(dá)到消除多普勒展寬的目的. 偏振飽和吸收光譜的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5(a)所示，在腔外強(qiáng)度飽和吸收光譜的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn). 利用分束比為5∶1的分光鏡將1束激光分成能量較大的泵浦光與1束能量較弱的探測(cè)光，2束光以接近180°夾角入射. 在泵光光路上放置1/4波片，在探測(cè)光路上放置起偏器. 線偏振光中包含左旋圓偏振光與右旋圓偏振光. 當(dāng)Ne原子在泵浦光束中吸收左旋圓偏振光的光子，使得角動(dòng)量在空間上的分布變得不均勻，顯示各向異性. 由于泵浦光中所含光子較多，產(chǎn)生偏振飽和吸收效應(yīng)，對(duì)探測(cè)光中線偏振光子中的左旋圓偏振光的光子吸收減弱，對(duì)右旋圓偏振光的光子吸收較強(qiáng)，因此探測(cè)光經(jīng)過Ne原子后不再是線偏振光，而是橢圓偏振光. 在探測(cè)光路上，進(jìn)入Ne原子樣品池前放置檢偏器，調(diào)制探測(cè)光強(qiáng)最大，在樣品池后放置正交與探測(cè)器之間放置正交檢偏器，然后由光電探測(cè)器接收探測(cè)光. 使未入射泵浦光時(shí)，光電探測(cè)器接收到的光強(qiáng)為零. 當(dāng)泵浦光入射樣品，由于偏振飽和吸收效應(yīng)，光電探測(cè)器接收到探測(cè)光強(qiáng). 在泵浦光路上加入斬波器，斬波信號(hào)輸入鎖相放大器作為參考頻率. 掃描染料激光器輸出波長(zhǎng)，激發(fā)速度為零的原子，形成分辨較高的無多普勒展寬光譜. 該實(shí)驗(yàn)方法的不足之處在于探測(cè)光路上的正交檢偏器偏振方向稍有偏離，會(huì)形成不對(duì)稱的譜線，而且由于原子間的碰撞會(huì)使角動(dòng)量發(fā)生一定改變，形成背景信號(hào). 為了進(jìn)一步優(yōu)化測(cè)量，得到完全無多普勒展寬光譜，采用2個(gè)旋轉(zhuǎn)的偏振調(diào)制器對(duì)2束能量相等、完全相對(duì)入射的圓偏振光進(jìn)行調(diào)制，如圖5(c)所示. 偏振內(nèi)調(diào)制光譜的實(shí)驗(yàn)裝置與強(qiáng)度內(nèi)調(diào)制光譜技術(shù)相似，但在分光鏡前利用1/4波片將從激光器輸出光變?yōu)閳A偏振光，利用分束比1∶1的分光鏡將圓偏振光分為泵浦光和探測(cè)光，再分別經(jīng)過2個(gè)偏振方向正交的偏振片后完全反向共線地入射到樣品池. 利用2個(gè)旋轉(zhuǎn)頻率為f1和f2的偏振調(diào)制器分別以對(duì)2束光的線偏振態(tài)方向進(jìn)行調(diào)制. 由于轉(zhuǎn)1周，偏振態(tài)改變了2次,于是鎖定在2|f1±f2|上的鎖相放大器，就不會(huì)放大這些原子發(fā)射的熒光雜散信號(hào)，當(dāng)激光頻率調(diào)諧到吸收線中心時(shí)，可測(cè)得完全無多普勒展寬的偏振內(nèi)調(diào)制信號(hào)，其分辨率高于前面所述的其他無多普勒展寬光譜，如圖5(d)所示.

通過以上3組實(shí)驗(yàn)的操作，學(xué)生可以循序漸進(jìn)按照原理難度梯度認(rèn)識(shí)到熒光光譜和激發(fā)光譜是原子從基態(tài)到激發(fā)態(tài)躍遷或輻射的一般光譜，而強(qiáng)度飽和吸收光譜和強(qiáng)度內(nèi)調(diào)制光譜則是由于原子的能級(jí)布居數(shù)變化引起飽和吸收效應(yīng)時(shí)測(cè)量的光譜，偏振飽和吸收光譜和偏振內(nèi)調(diào)制光譜則是利用原子的偏振選擇吸收獲得的光譜，后4種光譜均采用2光束相對(duì)入射，掃描入射激光頻率激發(fā)速度為零的原子實(shí)現(xiàn)測(cè)量無多普勒展寬的蘭姆凹陷測(cè)量. 在無多普勒展寬光譜的技術(shù)難度梯度方面，學(xué)生將從簡(jiǎn)單使用光柵單色儀，到采用2光束相對(duì)結(jié)合鎖相放大技術(shù)，再到使用圓偏振光結(jié)合偏振調(diào)制器. 通過上述6個(gè)實(shí)驗(yàn)的光譜數(shù)據(jù)，學(xué)生可以觀察到Ne原子在692.9，702.4，717.4，724.5，743.8 nm等的吸收峰位.

(a)偏振飽和吸收光譜實(shí)驗(yàn)光路圖

4 結(jié)束語

在自行設(shè)計(jì)的“超快光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基于建構(gòu)主義、學(xué)習(xí)分層次學(xué)習(xí)理論，按照學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)Ne原子無多普勒展寬光譜測(cè)量的6個(gè)梯度型實(shí)驗(yàn)，一系列實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)原理、技術(shù)方法進(jìn)行梯度型分解，使學(xué)生循序漸進(jìn)地了解無多普勒展寬光譜測(cè)量的設(shè)計(jì)原理與技術(shù)實(shí)現(xiàn). 該系列實(shí)驗(yàn)已經(jīng)應(yīng)用于輔助“光譜測(cè)量技術(shù)”理論課教學(xué)中，通過前后測(cè)評(píng)卷并結(jié)合SPSS科學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件分析，發(fā)現(xiàn)梯度型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)“光譜測(cè)量技術(shù)”理論課教學(xué)確實(shí)具有輔助效果，加深了學(xué)生對(duì)理論的理解，增強(qiáng)實(shí)際操作的能力；教學(xué)實(shí)踐中，可以進(jìn)一步加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與課堂教學(xué)的聯(lián)系，教師演示虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作過程，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)嘗試，通過以上策略的實(shí)施幫助學(xué)生熟練掌握理論知識(shí)與操作技能. 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助理論教學(xué)研究為探索混合式模式提供有價(jià)值的參考.