銫混合氦原子的無極燈的製作方法

2023-10-11 03:54:39

本實用新型涉及光譜技術和光學器件技術領域，尤其涉及一種銫混合氦原子的無極燈。

背景技術：

鹼金屬銫原子在精密雷射光譜、冷原子物理、原子幹涉儀、原子鐘、磁力儀、原子陀螺儀、原子濾光器等多種領域具有非常廣泛的應用。銫金屬的熔點很低，只有 28.4°C，可以封裝在很簡單便宜的玻璃氣室中，得到足夠的蒸汽壓，直接用於上述各領域。銫原子的另一個優點是，其基態到第一激發態6P態的852nm、894nm 和基態到第二激發態7P態的456nm、459nm對應的躍遷波長都有半導體雷射可以直接應用。

然而，對於銫原子基態到第三激發態8P態的387.615nm、388.861nm，沒有對應的半導體雷射可以利用，極大地限制了銫原子的拓展應用。為此，現有技術中公開可以用氦原子無極燈發射出來的388.865nm螢光作為獨立的光源，來激發另一個獨立的銫玻璃氣室中的銫原子。現有技術中用作獨立光源激發氦原子的氦原子無極燈體積較大，長度接近1米，氦原子無極燈和銫玻璃氣室相互獨立，結構繁雜龐大，效率低下。這種做法，由於兩者總有較大空間距離，相對銫而言，氦原子無極燈的螢光過於發散，效率極其低下這種方法主要存在兩方面的技術困難：第一點技術困難是，長度近1米的氦原子無極燈與被泵浦的獨立銫原子玻璃泡，其間距在幾個釐米左右，相對於原子之間的微米間距，屬於一個宏觀量，相差四個數量級；第二點技術困難是，長度近1米的氦原子無極燈與被泵浦的獨立銫原子玻璃泡間距在幾個釐米左右時，氦原子發出的388.865nm螢光作用到銫泡正中心毫米大小有效區時，效率僅有千分之幾。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本實用新型的目的在於提供一種結構簡單、成本低、效率高的銫氦混雜型的銫混合氦原子無極燈，同時提供一種銫混合氦原子的無極燈用於銫激發態光譜方法。

為了實現上述的目的，本實用新型採用了以下的技術方案：

銫混合氦原子無極燈，包括：充有銫原子混合氦原子的氣室；射頻耦合線圈，所述射頻耦合線圈均勻纏繞在氣室外壁，用於在氣室中產生射頻場；射頻功放模塊，與所述射頻耦合線圈連接，用於提供激勵氦原子在第一激發態到基態之間躍遷譜線產生螢光的射頻功率；屏蔽盒，屏蔽盒的兩端設有通光孔，所述氣室設置在屏蔽盒中，氣室的端面對準屏蔽盒的通光孔；所述氣室採用高透光材料製成，氣室除端面外的外側壁上設有對氦原子在第一激發態到基態之間躍遷譜線所發螢光高反射的塗層。

作為優選技術方案，所述氣室為圓柱形的玻璃氣室，氣室的長度為4cm～6cm，氣室的直徑為1cm～3cm。

作為優選技術方案，射頻功放模塊提供給玻璃氣室的射頻功率為32MHz。

作為優選技術方案，直流穩壓電源為射頻功放模塊供電，所述電源電壓的調節範圍在3V-10V。

銫混合氦原子無極燈通過射頻功放模塊激勵使氦原子躍遷產生螢光，所述螢光與銫原子從基態到第三激發態的躍遷波長對應並直接把氣室中的銫原子激發到激發態。

上述結構的銫混合氦原子的無極燈，直接將鹼金屬銫原子混合填充到氦原子無極燈的氣室中，形成了一個銫氦摻雜型的，銫混合氦原子無極燈，具有以下優點：第一，空間結構上極大地簡化併合成泵浦氦燈和被激發銫原子泡一體化的高泵浦效率新構型；第二，由於銫和氦兩種原子以氣體的形式直接、充分地混雜，使發光氦原子距離激發銫原子之間距離小到微米量級，比起已有的六十年代技術，發光氦原子距離激發銫原子之間距離縮小四個數量級；第三，在室溫條件下，使得氦原子無極燈在射頻激勵下氦原子發射的388.865nm螢光，可以非常充分有效地被氦原子周邊微米量級三維4Π立體角範圍內的高密度銫原子所吸收，這比已有技術在泵浦效率上又提高了兩到三個數量級；第四，由於銫混合氦原子無極燈的側面外壁塗上對388.865nm螢光高反射的塗層，有可能側漏的388.865nm螢光被反射會燈泡內得到加強利用。

上述優點保證了在室溫條件下氦原子發射的388.865nm螢光高效地激發銫原子從基態到8P激發態，通過自發輻射使得比8P能級低的所有態上都有布居，從而可用於銫原子與5D、6D、6P、7P、7S、8S等相關激發態相聯繫的雷射光譜，讓銫原子在激發態雷射精密譜、原子光鍾、原子磁力儀等領域拓展到更多波長範圍得到進一步應用，且本實用新型的結構簡單，相對於現有技術的成本低。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構示意圖。

圖2為本實用新型的氦無極燈螢光光譜示意圖。

圖3為氦原子389nm波長躍遷的相關能級結構與波長示意圖。

圖4為銫原子基態到8P激發態躍遷的相關能級結構與波長示意圖。

其中：1、屏蔽盒，2、射頻耦合線圈，3、氣室，4、射頻功放模塊，5、輸入端連接線，6、輸出端連接線。

具體實施方式

下面結合附圖對本專利的優選實施方案作進一步詳細的說明。

如圖1所示的銫混合氦原子的無極燈，包括：充有銫原子混合氦原子的氣室3；射頻耦合線圈2，所述射頻耦合線圈2均勻纏繞在氣室3外壁，用於在氣室中產生射頻場；射頻功放模塊4，與所述射頻耦合線圈2連接，用於提供激勵氦原子在第一激發態到基態之間躍遷譜線產生螢光的射頻功率；屏蔽盒1，屏蔽盒1的兩端設有通光孔，所述氣室3設置在屏蔽盒1中，氣室3的端面對準屏蔽盒的通光孔；所述氣室3採用高透光材料製成，氣室3除端面外的外側壁上設有對氦原子在第一激發態到基態之間躍遷譜線所發螢光高反射的塗層。

本實施例選用長度在4cm～6cm之間，直徑在1cm～3cm之間的圓柱形玻璃氣室，優選為氣室的長度為5cm，氣室的直徑為2cm。

銫混合氦原子的無極燈的使用步驟包括：步驟101，把銫原子填充到氦無極燈玻璃氣室3中，並在玻璃氣室外壁纏繞好射頻耦合線圈2，線圈的纏繞匝數與射頻功放模塊相匹配，滿足氦原子發射389nm螢光的條件；步驟102，調試射頻功放模塊4確保提供的射頻功率使氦原子發射螢光；步驟103，射頻功放模塊4和射頻耦合線圈2之間通過輸入端連接線5和輸出端連接線6連接，在安裝時兩個連接線不能交叉，並將射頻功放模塊4與直流穩壓電源連接；步驟104，將玻璃氣室固定在屏蔽盒內，並使氣室3端面正對屏蔽盒1的通光孔；步驟105，開啟直流穩壓電源並調節合適的工作電壓，工作電壓的大小應根據所需的螢光強度進行設置。用其中直流穩壓電源給射頻功放模塊4供電工作電壓範圍為3-10V，根據螢光強度大小確定合適的電壓大小。

銫混合氦原子無極燈用於銫激發態光譜的方法，包括如上所述的銫混合氦原子無極燈，所述銫混合氦原子無極燈通過射頻功放模塊激勵使氦原子躍遷產生螢光，如圖2和圖3所示，氦原子發射出的388.865nm的螢光對應銫原子從基態到第三激發態8P態的波長，直接把氣室中的銫原子激發到激發態。氦原子氣體被特定的射頻功率激發，形成氦原子和帶有高能量的氦離子的混合物，這些高能量的電子和離子與氦原子碰撞，產生更多的電子和離子，同時把氦原子從基態激發到激發態，由於自發輻射發出螢光。因為氦無極螢光光譜包含389nm躍遷譜線，其正好對應銫原子基態到8P激發態能級躍遷，將銫原子直接填充到氦無極燈原子氣室中，由於氦原子和銫原子間距只有微米量級，因此氦原子發射的389nm螢光可以有效地被利用來把銫原子激發到8P激發態上，再通過自發輻射通道，從而銫原子5D、6D、6P、7P、7S、8S等相關激發態都會因自發輻射而有原子布居。

本實用新型利用了銫混合氦原子無極燈的方法，直接把銫原子填充到氦原子氣室中，拉近銫原子和氦原子的間距，同時，由於銫混合氦原子無極燈的側面外壁塗上對388.865nm螢光高反射的塗層，有可能側漏的388.865nm螢光被反射會燈泡內得到加強利用。上述銫混合氦原子無極燈的結構簡單，實現了省去傳統研究銫激發態光譜時用雷射器做泵浦源的目的。大大降低了系統的成本和複雜度。從而可以為研究銫原子在激發態精密譜等相關研究工作提供便利和節約成本。同時功耗低且易於整個過程不需要溫度控制，室溫條件下即可工作。

需要說明的是：現有技術中的鹼金屬銣無極燈等或者銫無極燈裡，經常摻雜一定比例的氦氣作為緩衝氣體。這與本實用新型有本質不同，區別在於：一，例如銫原子無極燈即使衝了氦作為緩衝氣體，必須將泡加熱到120攝氏度甚至以上並且讓射頻激勵銫原子發光，而本實用新型中是氦燈摻銫，銫沒有被射頻激勵發光並且必須確保銫沒有被射頻激勵發光；二，對於泡的溫度條件，銫原子無極燈必須將泡加熱到120攝氏度甚至以上並且讓射頻激勵銫原子發光，在室溫條件銫原子無極燈不能工作，而本實用新型中是氦無極燈摻銫，工作於室溫條件下，不需要加熱也不發熱，是一種冷燈；三，對於銫原子無極燈，一旦啟動，銫原子自己已經被射頻電激發到許多高激發態，不同激發態的布居滿足熱分布，因此不能也沒有形成態之間布居數反轉，而本實用新型的目標則是銫原子由於氦原子發射的388.865nm螢光僅僅從基態泵浦到8P激發態，可以形成態間布居數反轉，如8P與7S態間布居數反轉，得到態間布居數反轉是本實用新型的重要目的。作為緩衝氣體，氦常常與其他如氖、氬、氙等緩衝氣體按氣壓配比使用，而在本實用新型中，僅僅使用氦原子的一個能級剛剛與銫原子能級相同這一特性而已。