非线性光学与光子学中的实验结果

消多普勒效应双光子吸收光谱方法，可有效用于研究气体原子和分子的精细或超精细光谱结构，其中包括分析和辨别它们的斯塔克分裂和塞曼分裂行为。与饱和吸收光谱术相比，双光子吸收光谱术具有几个优点：①可研究气体粒子的高激发态，包括为单光子跃迁禁戒的能级特性；②双光子吸收共振行为，可更方便地通过被激发粒子的荧光发射行为加以检测，而不一定需要对激光束有时是十分微小的吸收衰减行为进行检测；③双光子吸收光谱术有可能提供更高的分析灵敏度或待测信噪比。这是因为在饱和吸收光谱术情况下，激光束只与特定速度的粒子群发生作用，而在双光子共振光谱术情况下，激光束则与具有不同速度的所有气体粒子发生作用。

图9-10给出了用于消多普勒效应双光子吸收光谱测量典型实验装置的原理示意图。这样一类装置通常由几个基本部分组成：①一台可调谐窄谱线激光器；②一种分束或反射装置以提供两反向光束；③一个配置光学窗口的气体样品盒；④一种用于测量2PA诱导荧光信号的光电探测和放大系统。

图9-10　消多普勒加宽的双光子吸收光谱分析实验装置

激光源通常采用可调谐的染料激光器、色心激光器、钛宝石激光器或光参量发生器，输出波长通常在可见光区域；双光束分束方式可以是多样的，图9-10所示是其中最简单的一种，即一次通过样品后的反向反射式。

样品室内可以充金属蒸气、原子气体或简单的分子气体等；有时根据待测样品的需要而附加加热装置、气体放电装置和外电场或外磁场装置等。荧光探测装置通常由高灵敏光电倍增管和相应的光电信号放大记录设备所组成。为提高光电信号的信噪比，通常对入射激光施以周期性调制。由式（9-48）可看出，双光子吸收跃迁概率分别与两反向入射光束的光强I1和I2成正比，因此要求两光束尽可能有较高的光强。在可调谐激光为连续运转的情况下，为提高入射光束光强，通常采用聚焦或者缩孔光束的方式入射到样品中。当然，这是以减少光束截面从而增大渡越加宽的影响为代价（采用定向原子束或分子束情况例外）。另外，在某些情况下，为了避免一部分外部反馈光束重新进入激光器腔内造成不利的干扰影响，可在激光器输出端外放置光学隔离器（如法拉第旋转器）装置。

在双光子吸收光谱技术发明后不久，就非常成功地实现了对诸如Na，H，D，Rb等原子气体以及CH3F等分子气体的消多普勒加宽的高分辨吸收谱分析。下面仅以钠原子和氢（氘）原子的光谱分析结果为例来加以说明。

Hänsch等人曾经用双光子吸收方法深入研究了Na原子的3S→4D跃迁和3S→5S跃迁的光谱精细结构［43］。图9-11为用波长为578.73 nm的可调谐连续波单模染料激光测得的Na原子3S→4D跃迁双光子吸收光谱曲线。两反向激光束聚焦成0.04 mm口径入射到气压为3×10-7Torr的Na气室中，通过侧面用紫外光电管探测由Na原子的4P→3S跃迁产生的330.2 nm紫外荧光辐射。由图9-11所示消多普勒加宽双光子吸收诱导荧光发射信号随激光频率调谐变化的光谱扫描曲线，可清楚看出3S能级（F=2，1）的超精细分裂（对应测得谱线a-c和b-d的间距），同时还反映出4D能级（J=5/2，3/2）的精细分裂结构（对应谱线a-b和c-d的间距）。测得最窄线宽为15 MHz（小于1%多普勒线宽），已知自然线宽为3 MHz，渡越加宽为2 MHz，其余加宽可能是由于入射激光的频率不稳定性等因素造成的。

(www.xing528.com)

图9-11　钠（Na）原子3S-4D跃迁的消多普勒双光子吸收光谱扫描曲线，3S基态的超精细分裂以及4D能级的精细结构被清楚分辨［43］

较早时期，用双光子吸收法研究得比较深入的另一对象是氢（H）原子和氘（D）原子的1S-2S跃迁光谱结构［45，46］。用同样的方法，还曾仔细研究了Na原子3S-4D和3S-5S跃迁的塞曼超精细分裂光谱结构，以及斯塔克分裂和位移等光谱结构［44，47，48］。

之后，消多普勒双光子吸收光谱术开始更多地应用于研究多种原子和分子气体样品，其中包括H与D［49，50］，碱金属原子Na［51］，Rb［52～54］，Cs［52］以及多原子分子等［55，56］。

作为较近期用2PA光谱术研究Rb蒸气的实验结果，图9-12给出了Rb原子的5S1/2→7S1/2跃迁的消多普勒加宽双光子吸收光谱扫描曲线。该实验使用了一台在760 nm附近可调谐的外腔式二极管激光器，蒸气样品的温度和气压分别为110℃和0.5 mTorr，而原子浓度为5×1021 cm-3［53］。从该图可看出，85 Rb和87Rb两种同位素的超精细分裂分别为2 754，6 202 MHz；而测得的85Rb 5S1/2（F=3）→7S1/2（F=3）跃迁的线宽只有3 MHz。

图9-12　金属Rb原子5S1/2-7S1/2跃迁的消多普勒双光子吸收光谱测量曲线［53］

从以上的说明中可以看出，双光子吸收光谱方法，同上节介绍的饱和吸收光谱方法一样，可以省却传统的光谱分光仪器设备，而达到消多普勒效应的高分辨率光谱分析；除此以外，通过双光子吸收方法，还可以充分利用波长不很短的可调谐激光去测量原子的高激发能级和靠近电离限的能级。双光子吸收和更普遍情况下的多光子吸收光谱技术还有成效地用于选择光化学反应以及激光同位素分离等方面。