王铿淇,郭进先

• 1:上海交通大学物理与天文学院

摘要(Abstract)：

测量原子光谱是揭示微观粒子微观结构与运动规律的重要手段，因而从本科到研究生阶段都会涉及到相关领域的教学，特别是光谱的相关教学。然而，由多普勒效应等引起的非均匀展宽及原子碰撞等引起的均匀展宽极大限制了谱线的分辨精度。在科学技术的发展中，为了获得更高的分辨精度，消除原子谱线的展宽成为重点研究方向。而在相关教学方面，碱金属原子体系由于其优异的能级特性，成为了研究展宽机制的有效途径。而在目前的本科教学中，缺乏除对多普勒展宽以外的多种原子谱线展宽机制的演示。因此，本文利用铷原子5S_(1/2)→5P_(3/2)→5D_(5/2)双光子跃迁谱线，测量改变激光功率、原子池温度等条件下引起的原子谱线半宽变化，验证双光子跃迁的同时，重点演示了原子谱线展宽的机制以及谱线半宽的测量方法。通过本实验，本科生一方面可以掌握原子谱线展宽与双光子跃迁的相关知识，以更深刻地理解了理论知识的内涵，另一方面通过自主搭建实验仪器锻炼了本科生的动手能力，对提升物理专业本科学生的素养尤为重要。本文所展示的实验装置简单，易于搭建，适合课堂演示和实验教学。

关键词(KeyWords)： 原子谱线展宽;双光子跃迁;铷原子;多普勒效应;压力展宽;功率展宽

Abstract:

Keywords:

基金项目(Foundation): 上海市科技英才杨帆计划(19YF1421800);; 国家自然科学基金(11904227)资助

作者(Author): 王铿淇,郭进先

参考文献(References)：

• [1] 杨福家.原子物理学[M].4版.北京：高等教育出版社，2008.
• [2] 周炳琨.激光原理[M].7版.北京：国防工业出版社，2014.
• [3] 范鹏瑞，李一鸿，李少华，等.利用铷原子双光子跃迁产生420nm蓝光的实验研究[J].量子光学学报.2017,23(2):144-150.FAN P R,LI Y H,LI S H,et al.Experimental investigation on the 420 nm blue light generated by two-photon transition of Rb[J].Journal of Quantum Optics,2017,23(02):144-150.(in Chinese)
• [4] PRESTON D W.Doppler-free saturated absorption:Laser spectroscopy[J].American Journal of Physics,1996,64(11):1432-1436.
• [5] 范鹏瑞.基于铷原子双光子跃迁高分辨光谱研究[D].太原：山西大学，2017.
• [6] DING D S,ZHOU Z Y,SHI B S,et al.Two-Photon atomic coherence effect of transition 5S1/25P3/24D5/2(4D3/2) of 85Rb atoms[J].Chinese Physics Letters,2012,29(2):24202-24202.
• [7] GALATRY L.Simultaneous effect of Doppler and foreign gas broadening on spectral lines[J].Physical Review,1961,122(4):1218.
• [8] KIENLEN M B,HOLTE N T,DASSONVILLE H A,et al.Collimated blue light generation in rubidium vapor[J].American Journal of Physics,2013,81(6):442-449.
• [9] CAGNAC B.Doppler-free two-photon spectroscopy[J].Hyperfine Interactions,1985,24(1):19-41.
• [10] LUDLOW A D,BOYD M M,YE J,et al.Optical atomic clocks[J].Reviews of Modern Physics 87,No.2 (2015):637-701.
• [11] 杨镇.双光子泵浦碱金属蓝光激光研究[D].北京：北京邮电大学，2020.
• [12] NEZ F,BIRABEN F,FELDER R,et al.Optical frequency determination of the hyperfine components of the 5S12-5D32 two-photon transitions in rubidium[J].Optics Communications,1993.
• [13] FOOT C J.Atomic physics[M].New York:Oxford University Press.2005.
• [14] 张庆国，尤景汉，贺健.谱线展宽的物理机制及其半高宽[J].河南科技大学学报(自然科学版),2008(1):84-87.ZHANG Q G,YOU J H,HE J.Physical mechanism and half-width of spectrum widening[J].Journal of Henan University of Science and Technology (Natural Science),2008(1):84-87.(in Chinese)
• [15] 林福忠.原子塞曼效应分裂谱线的量子分析[J].龙岩学院学报，2006(6):34-35.LIN F Z.Quantum analysis of splitting spectral lines by atomic Zeeman effect[J].Journal of Longyan University,2006(6):34-35.(in Chinese)