何躍宏，佘 磊，陳義和，李交美

(1.中國(guó)科學(xué)院 武漢物理與數(shù)學(xué)研究所，湖北 武漢 430071；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049)

引言

原子頻標(biāo)自誕生以來(lái)，其廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航定位、航空航天、電子通信和天文觀測(cè)等領(lǐng)域[1-2]，在國(guó)防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了巨大的作用。線形199Hg+微波頻標(biāo)是一種高性能的微波頻標(biāo)[3-4]，其具有高頻率穩(wěn)定度、低漂移率和低環(huán)境敏感度等優(yōu)點(diǎn)。線形199Hg+微波頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度是由原子躍遷譜線的線寬和信噪比決定的，而這和光學(xué)系統(tǒng)有很重要的關(guān)系，尤其是對(duì)信噪比有至關(guān)重要的影響。

本文利用自制的202Hg無(wú)極譜燈取代了體積龐大、技術(shù)復(fù)雜、費(fèi)用昂貴的深紫外激光系統(tǒng)，為線形離子阱囚禁199Hg+實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、經(jīng)濟(jì)高效和便于安裝調(diào)試的光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)激發(fā)系統(tǒng)將202Hg無(wú)極譜燈發(fā)出的光整形成狹長(zhǎng)的矩形光去激發(fā)199Hg+能級(jí)躍遷，從而使其輻射出熒光，然后再利用熒光收集系統(tǒng)去收集該熒光。熒光收集系統(tǒng)具有很高的熒光收集效率，提高了系統(tǒng)的信噪比。

1 系統(tǒng)概況

整體的光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。線形離子阱是由4根直徑為4 mm，長(zhǎng)為100 mm的金屬桿均勻分布在半徑為10 mm的圓周上，然后在兩端加上2個(gè)端帽電極組成。

圖1 線形離子阱的光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical system of linear ion trap

整個(gè)線形離子阱安裝在超高真空腔中，真空度可達(dá)2×10-8Pa。線形離子阱可以囚禁約2×107個(gè)汞離子[5]。這些汞離子在線形離子阱中心排列成長(zhǎng)為75 mm的圓柱體。由于囚禁離子的熱運(yùn)動(dòng)，只需要將激發(fā)光源整形為23 mm×4 mm的矩形光就可以激發(fā)所有的離子能級(jí)躍遷了。首先由自制的202Hg無(wú)極譜燈發(fā)出實(shí)驗(yàn)所需的194.2 nm的深紫外光，經(jīng)過(guò)激發(fā)透鏡組整形成狹長(zhǎng)的矩形光去激發(fā)汞離子能級(jí)躍遷。汞離子與40.5G微波作用后，吸收194.2 nm的光子，躍遷到激發(fā)態(tài)，然后再回落到基態(tài)，從而輻射出194.2 nm的光子，再用熒光收集系統(tǒng)將這些光子收集到光電倍增管(PMT)，通過(guò)光子計(jì)數(shù)器將光子數(shù)讀出。由此可知，要求光學(xué)系統(tǒng)中所有透鏡都是由透深紫外光的熔融石英JGS1材料制成的。要求23 mm×4 mm的矩形光中的光子數(shù)均勻分布，并且這些光在隨后的傳播過(guò)程中通過(guò)真空腔上的熔融石英窗口透射出系統(tǒng)，不會(huì)和線形離子阱和真空腔壁發(fā)生反射從而產(chǎn)生雜散光。要求熒光收集系統(tǒng)要盡可能多的將汞離子自發(fā)輻射的194.2 nm的光子收集在PMT上，同時(shí)盡可能避免雜散光的干擾。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)激發(fā)系統(tǒng)

光學(xué)激發(fā)系統(tǒng)由自制的202Hg無(wú)極譜燈和激發(fā)透鏡組組成。202Hg無(wú)極譜燈用來(lái)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需的194.2 nm的深紫外光，發(fā)光面為直徑15 mm的圓，其發(fā)光原理簡(jiǎn)要介紹一下[6]。202Hg無(wú)極譜燈的發(fā)光泡中充有同位素202Hg和惰性氣體Ar。利用高頻電場(chǎng)對(duì)發(fā)光泡里存在的少量離子和電子加速，使其動(dòng)能增加，其中動(dòng)能較高的離子或電子與Ar分子碰撞，把Ar分子激發(fā)到激發(fā)態(tài)。當(dāng)激發(fā)態(tài)的Ar分子回落到基態(tài)時(shí)就可以看到啟輝氣體Ar分子發(fā)光。但若處于激發(fā)態(tài)的Ar分子與Hg原子碰撞而把激發(fā)態(tài)的能量轉(zhuǎn)移給Hg原子，自己無(wú)輻射地回落到基態(tài)，而把Hg原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)。這個(gè)過(guò)程可以表示為

Ar*+ Hg → Hg*+ Ar

(1)

式中：Ar*為激發(fā)態(tài)的Ar分子；Hg*為激發(fā)態(tài)的Hg原子。另外有些處于激發(fā)態(tài)的Ar*分子具有很高的動(dòng)能，與Hg原子碰撞時(shí)，剝掉Hg原子的一個(gè)電子，產(chǎn)生Hg+并將其激發(fā)到激發(fā)態(tài)，Ar*分子無(wú)輻射地回落到基態(tài)。這個(gè)過(guò)程可以表示為

Ar*+ Hg → Hg++ Ar + e

(2)

Ar*+ Hg+→ Hg+*+ Ar

(3)

Hg+*為激發(fā)態(tài)的Hg+,其退激發(fā)回落到基態(tài)輻射出實(shí)驗(yàn)所需的194.2 nm的光。但Hg*退激發(fā)回落到基態(tài)輻射出253.7 nm的光，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾，所以要在發(fā)光泡前面加個(gè)充有同位素202Hg和惰性氣體Ar，但沒(méi)加高頻電場(chǎng)的濾光泡以濾除253.7 nm的光。

光學(xué)激發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表1所示。第5面和第6面是裝在真空腔上的CF35熔融石英透視窗的2個(gè)面，都是直徑35 mm的平面，其和線形離子阱之間的位置是固定的。為了避免光能過(guò)多地衰減，采用兩塊透鏡來(lái)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)。根據(jù)矩形光斑長(zhǎng)為23 mm的要求，首先通過(guò)激發(fā)透鏡組將直徑15 mm的面光源在線形離子阱中心成像為直徑約23 mm的光斑，并使其焦點(diǎn)在線形離子阱中心后。然后將第4面設(shè)置為柱面[7-8]，改變透鏡組在x方向的光焦度，使其聚焦在離子阱中心，而透鏡組在y方向的光焦度不變，這樣就可以在線形離子阱中心得到23 mm×4 mm的矩形光，并使其通過(guò)真空腔上的熔融石英窗口透射出，而不會(huì)和線形離子阱和真空腔壁發(fā)生反射從而產(chǎn)生雜散光。圖2是物面(0,0)、(5.3,0)、(7.5,0)、(3.75,3.75)、(0,5.3)、(0,7.5)在線形離子阱中心的點(diǎn)列圖。由此可知，光學(xué)激發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果達(dá)到要求。

表1 光學(xué)激發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Table 1 Configuration of optical excitation system

圖2 光學(xué)激發(fā)系統(tǒng)點(diǎn)列圖Fig.2 Spot diagram of optical excitation system

2.2 熒光收集系統(tǒng)

熒光收集系統(tǒng)由收集透鏡組、濾波片和PMT組成，是用來(lái)收集激發(fā)態(tài)199Hg+自發(fā)輻射出194.2 nm的光子。熒光收集系統(tǒng)的好壞，對(duì)線形離子阱囚禁199Hg+實(shí)驗(yàn)的信噪比有至關(guān)重要的影響。為了避免其他波段雜散光的影響，采用中心波長(zhǎng)為190 nm，帶寬為20 nm的濾波片。PMT為英國(guó)Electron-Tube生產(chǎn)的9402B型日盲管，其響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為160 nm～360 nm，在194.2 nm處有較高的量子效率。熒光收集系統(tǒng)并不是嚴(yán)格意義上的成像系統(tǒng)，更像是一種能量收集系統(tǒng)，只要盡可能多地將激發(fā)態(tài)199Hg+自發(fā)輻射出194.2 nm的光子收集在直徑23 mm的PMT上就可以。對(duì)像點(diǎn)的彌散、像點(diǎn)的分辨率等要求可以適當(dāng)?shù)胤艑挕?/p>

由于202Hg無(wú)極譜燈所發(fā)出的194.2 nm的激發(fā)光強(qiáng)度很弱，同時(shí)線形離子阱中囚禁的離子數(shù)量有限，因此199Hg+所輻射的熒光強(qiáng)度較弱。在設(shè)計(jì)熒光收集系統(tǒng)時(shí)，要盡量縮短收集透鏡組和線形離子阱中心的距離以增加熒光收集的立體角，從而提高熒光收集效率。同時(shí)，為了收集更多的光子，將熒光發(fā)光面設(shè)置為26 mm×4 mm的矩形。熒光收集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表2所示。第1面和第2面是線形離子阱和真空腔機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成的面，都是固定不變的，相當(dāng)于起光闌的作用。第3面和第4面是裝在真空腔上的CF35熔融石英透視窗的2個(gè)面，都是直徑35 mm的平面，它和線形離子阱之間的位置是固定的?？紤]到系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、透鏡曲率和光能衰減等因素，采用3塊透鏡來(lái)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)。

表2 熒光收集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Table 2 Configuration of fluorescence collection system

圖3是熒光發(fā)光面(0,0)、(1.2,8)、(2,13)等11個(gè)物點(diǎn)在像面即PMT上的足跡圖。由此可知，熒光發(fā)光面在像面上成20 mm×3.6 mm的矩形光斑。熒光發(fā)光面發(fā)出的光可以很好地收集在直徑23 mm的PMT上。該熒光收集系統(tǒng)的收集效率很高，約3%。這是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)迄今為止所達(dá)到的最大熒光收集效率。為了進(jìn)一步減小雜散光的影響，可以在PMT前加一個(gè)適當(dāng)大小的矩形光闌，從而可以進(jìn)一步提高收集系統(tǒng)的性能。

圖3 熒光發(fā)光面的足跡圖Fig.3 Footprint diagram of fluorescence emitting surface

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

光學(xué)系統(tǒng)是基于194.2 nm波長(zhǎng)的光設(shè)計(jì)的，對(duì)于此深紫外的光缺乏有效的檢測(cè)方法來(lái)單獨(dú)檢測(cè)所設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的性能。所以結(jié)合離子阱物理系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)離子的光微波雙共振熒光信號(hào)來(lái)測(cè)試所設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的性能，共振熒光信號(hào)的信噪比越高則所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)性能越好。

圖4是熒光信號(hào)采集的示意圖，通過(guò)Labview軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖5是所測(cè)得的光微波雙共振熒光信號(hào)。圖5中熒光信號(hào)增加是由于囚禁的離子在光和微波的共同作用下輻射出194.2 nm的光子，這些光子經(jīng)熒光收集系統(tǒng)很好地被PMT所接收。后面熒光信號(hào)下降是由于關(guān)閉微波導(dǎo)致囚禁離子不能輻射出194.2 nm的光子。由此可知，設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)完全可以滿足實(shí)驗(yàn)需求，且具有較高的信噪比，其值約為20。

圖4 熒光信號(hào)采集示意圖Fig.4 Block diagram of fluorescence signal collection

圖5 光微波雙共振熒光信號(hào)Fig.5 Fluorescence signal of optical-microwave double-resonance

4 結(jié)論

利用Zemax軟件為線形離子阱囚禁199Hg+實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套實(shí)用的光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)激發(fā)系統(tǒng)可以很好地將自制光譜燈發(fā)出的光在線形離子阱中心整形成23 mm×4 mm的矩形光斑。熒光收集系統(tǒng)可以很好地抑制雜散光的影響，具有很高的熒光收集效率，因此具有較高的信噪比。該套光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，易于安裝調(diào)試，為高性能線形199Hg+微波頻標(biāo)的工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

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