張 婧，沈 禮，戴長建*

(1.天津理工大學理學院，天津 300384;2.顯示技術與光電器件教育部重點實驗室，天津 300384)

1 引 言

簡單原子的場電離(EFI)在實驗［1-2］和理論［3］上都已經(jīng)有了廣泛的研究。人們已經(jīng)對堿金屬［3-4］和堿土金屬［5-6］的 Rydberg 態(tài)的 EFI進行了全面的研究。對于稀土原子而言，大部分研究集中在Yb原子的EFI閾值、壽命和Stark態(tài)動力學方面［7-9］。除了Yb原子，其他稀土原子都具有未填滿的4f支殼層，這導致其高激發(fā)態(tài)光譜異常復雜［10-11］。銪原子作為典型的復雜稀土原子，具有［Xe］4f76s2的電子結構，其零場下的高激發(fā)態(tài)光譜［10，12］的研究主要集中在束縛態(tài)［13-14］和自電離態(tài)［15-16］。

場電離探測具有很高的激發(fā)選擇性和探測靈敏度，是研究 Rydberg 態(tài)［17］、測定第一電離閾［18］和原子壽命［19］的非常有效的方法。近兩年，本課題組用影像技術研究了銪原子4f76p1/28s自電離態(tài)衰變的分支比和彈射電子的角分布［20-21］，但是由于銪原子復雜的結構特性，到目前為止關于銪原子的EFI過程還未見報道，尤其是關于電場強度超過經(jīng)典的場電離閾的研究。因此，拓展研究閾值以上的場電離過程就變得更具有挑戰(zhàn)性。本文系統(tǒng)地研究了銪原子4f76s n p Rydberg的EFI過程，確定了精確的EFI閾值。

2 實 驗

如圖1所示，實驗設備包括3個部分:激光系統(tǒng)、原子束產(chǎn)生系統(tǒng)以及信號采集系統(tǒng)。激光系統(tǒng)由1臺波長為532 nm的Nd∶YAG固體激光器泵浦3臺可調諧染料激光器(脈寬5～8 ns，線寬0.5 cm-1，重復頻率20 Hz)。為了確保態(tài)的躍遷按照預期方案進行，第二、三束激光相對于第一束激光的延遲時間分別為8 ns和16 ns。激光的偏振方向垂直于電場的方向。

將原子爐的溫度加熱至750 K左右時，原子束即噴射而出，進入帶電極板所組成的作用區(qū)(極板間距1 cm)。為了減少Doppler展寬效應，自準直的原子束應與激光束垂直正交。

信號采集系統(tǒng)包括微通道板、數(shù)字脈沖發(fā)生器和高壓脈沖電源。高壓脈沖電源的上升時間為100 ns，脈沖寬度在0.2～2.5μs間連續(xù)可調。數(shù)字示波器和高速采集卡直接與電腦相連便于實時監(jiān)測采集數(shù)據(jù)。在光脈沖0.5μs后施加脈沖電場從而實現(xiàn)原子電離，電離產(chǎn)生的離子在同樣電場作用下被推向微通道板。信號通過高速采集卡采集，并且儲存至電腦便于下一步的處理。

圖1 實驗裝置示意圖，P是線偏振片。Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup.P is a linear polarizer.

實驗激發(fā)路徑如圖2所示。前兩束激光激發(fā)依次將銪原子從基態(tài)4f76s28So7/2經(jīng)中間態(tài)4f76s6p10P9/2激發(fā)到終態(tài)4f76s7s8So7/2。前兩束激光的波長分別固定在686.44 nm和668.70 nm，第三束激光的波長在617.00～636.00 nm范圍內連續(xù)掃描，使更多的Rydberg態(tài)布局到各能級上，然后采用EFI技術實現(xiàn)電離。

場電離技術是一種研究高Rydberg態(tài)的非常有效的方法。Rydberg原子的外層電子易受外加電場的影響，當電場強度超過某一臨界值時，Rydberg態(tài)原子的電離效率可達100%。經(jīng)典的EFI閾F公式為:

圖2 實驗激發(fā)路徑Fig.2 Diagram of the experimental scheme

n*是有效量子數(shù)，可以從Rydberg公式中得出:

其中，R=109 736.918 cm-1是銪原子的Rydberg常數(shù)，En是實驗測得的銪原子的Rydberg能級，I0是銪原子零場下第一電離閾。

正如引言部分提到的，當前研究關注的是銪原子的EFI過程。實驗中高壓脈沖電源受電腦控制，且能實現(xiàn)步長為1 V的連續(xù)掃描，EFI過程中電離信號隨場電離電場的變化可以被實時監(jiān)測。

EFI過程包括絕熱過程和非絕熱過程，取決于脈沖電場的上升時間。本實驗脈沖電場上升時間為100 ns，脈沖寬度為0.2μs，這保證了銪原子的EFI過程是絕熱過程。非絕熱過程需要電場緩慢變化并且是線性增加，本論文不涉及這方面的研究。

圖3為脈沖電場，其中 tr和T分別是脈沖電場的上升時間和半高全寬(FWHM)。圖3中的脈沖像一個尖峰，它的上升時間是100 ns，這保證了絕熱EFI過程，電場存在的時間為0.2μs。

圖3 場脈沖方式:“尖峰”脈沖。Fig.3 Types of electric-field pulses:Pulse with a sharp peak.

3 結果與討論

利用三步共振激發(fā)結合EFI技術，首先獲得銪原子4f76s n p Rydberg(n=26～72)系列光譜圖，如圖4所示。

圖4中，把第一電離限右側的窄峰標記為A，跨過第一電離限的寬包絡標記為B。由于4f76s(7S)n p Rydberg態(tài)與4f76s(9S)εp連續(xù)態(tài)的相互作用，A、B的FWHM都明顯比束縛態(tài)的大。

在0.2μs的電場脈寬下，以步長為1 V的電壓連續(xù)掃描，觀察銪原子的EFI圖譜。圖5以4f76s66p態(tài)為例，展示了場電離信號隨電場強度的變化。把場電離信號突然變大的電場強度的位置定義為EFI閾值，如圖中左側箭頭所指。圖5中的EFI閾值為F0=35 V/cm，相應的脈沖寬度為0.2μs。

圖4 F=2 kV·cm-1下獲得的銪4f7 6s(9 S)n p Rydberg態(tài)EFI光譜圖，虛線表示第一電離限的位置。Fig.4 EFI spectra of Eu 4f7 6s(9 S)n p Rydberg series at F=2 kV·cm-1.The dot line idenotes the position of the first ionization limit.

圖5 4f7 6s66p 8 P J態(tài)的EFI過程，脈沖電場脈寬設為0.2 μs。Fig.5 EFIprocess of4f7 6s66p 8 P J state.The pulsewidth is fixed at0.2μs.

圖5中EFI信號隨著電場強度的增加而變大，呈現(xiàn)“爬坡”現(xiàn)象［7］，這與堿金屬與堿土金屬觀察到的現(xiàn)象類似。實驗發(fā)現(xiàn)在脈寬為0.2μs、電場強度低于3 kV/cm的情況下，4f76s(9S)n p8PJRydberg系列的EFI過程均出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，而受目前實驗設備所限，實驗電壓還達不到3 kV/cm以上，不過我們依然對3 kV/cm以上的現(xiàn)象很感興趣，這有待于未來近一步的研究。

為了驗證上述現(xiàn)象，相同條件下，我們對4f76s(9S)n p Rydberg系列中的其他態(tài)進行了實驗研究，圖6所示為n=26態(tài)的EFI過程。從圖6可以看出，26p態(tài)的EFI過程像一個平臺，而圖5中的66p態(tài)的EFI過程并沒有這樣的特性。所以n值不同，EFI過程也不相同。為了解釋這一現(xiàn)象，返回到圖4中，我們發(fā)現(xiàn)26p態(tài)的位置遠離大包絡B，而66p態(tài)正好位于大包絡B上。其他n p態(tài)的EFI過程也發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律。這個事實說明圖4中的大包絡B在4f76s(9S)n p態(tài)的EFI過程產(chǎn)生了重要的影響。大包絡B的出現(xiàn)與4f76s(9S)εp連續(xù)態(tài)和束縛態(tài)間的相互作用有關。

圖6 4f7 6s26p 8 P J態(tài) EFI過程，脈沖電場脈寬設為0.2 μs。Fig.6 EFI process of 4f7 6s26p 8 P J state.The pulse width is fixed at0.2μs.

此外，我們知道高溫會導致黑體輻射(BBR)，原子束的溫度大約在800 K，BBR會引起鄰近Rydberg態(tài)間的躍遷。圖7是40p態(tài)的EFI

光譜，可以看出在其上疊加了一些結構。

圖7 4f7 6s40p 8 P J態(tài)EFI過程，脈沖電場脈寬設為0.2μs。Fig.7 EFI process of 4f7 6s40p 8 P J state.The pulse width is fixed at0.2μs.

表1 歸屬于第一電離限4f7 6s 9 S4的Eu 4f7 6s n p Rydberg態(tài)的EFI閾值Table1 Field ionization threshold of Eu 4f7 6s n p Rydberg states converging to the first ionization limit4f7 6s 9 S4

這些疊加峰的出現(xiàn)與BBR有關。BBR會引起初態(tài)向相鄰態(tài)的躍遷，從而導致圖5和圖7中疊加峰的出現(xiàn)。在4f76s n p Rydberg態(tài)的EFI光譜上疊加的結構使光譜不像預期那樣平滑，對于高n值的態(tài)而言，情況更加明顯。

表1列出了銪原子4f76s n p8PJRydberg態(tài)的EFI閾值，除4f76snp8PJRydberg態(tài)的能級E和有效量子數(shù)n*外，還系統(tǒng)地展示了EFI閾值F0(均在電場脈寬0.2μs下測得)。

從表中可以看出，對于銪原子4f76snp8PJRydberg態(tài)的EFI規(guī)律和預期一致，高n值的態(tài)更容易電離而且EFI閾值會隨著n*的變大而減小。

4 結 論

采用三步共振激發(fā)結合連續(xù)掃描電場電壓的方法得到銪原子4f76snp Rydberg態(tài)的EFI過程。不僅得到了35個不同n值態(tài)的精確EFI閾值，還系統(tǒng)展示了銪原子4f76snp Rydberg態(tài)的EFI特性。黑體輻射會引起鄰近Rydberg態(tài)間的躍遷，導致一些結構疊加在光譜圖上，對于高n值的態(tài)尤其明顯。

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張婧(1988-)，女，山西太原人，碩士研究生，2012年于山西長治學院獲得學士學位，主要從事光譜方面的研究。

E-mail:15822024021@163.com戴長建(1957-)，男，山東青島人，教授，1992年于美國Virginia大學獲得碩士學位，主要從事原子高激發(fā)態(tài)光譜和探測技術方面的研究。E-mail:daicj@126.com