线形离子阱囚禁199Hg+实验的光学系统设计

何跃宏，佘 磊，陈义和，李交美

(1.中国科学院 武汉物理与数学研究所，湖北 武汉 430071；2.中国科学院研究生院，北京 100049)

引言

原子频标自诞生以来，其广泛应用于导航定位、航空航天、电子通信和天文观测等领域[1-2]，在国防和经济建设中发挥了巨大的作用。线形199Hg+微波频标是一种高性能的微波频标[3-4]，其具有高频率稳定度、低漂移率和低环境敏感度等优点。线形199Hg+微波频标的频率稳定度是由原子跃迁谱线的线宽和信噪比决定的，而这和光学系统有很重要的关系，尤其是对信噪比有至关重要的影响。

本文利用自制的202Hg无极谱灯取代了体积庞大、技术复杂、费用昂贵的深紫外激光系统，为线形离子阱囚禁199Hg+实验设计了一套结构简单紧凑、经济高效和便于安装调试的光学系统。光学激发系统将202Hg无极谱灯发出的光整形成狭长的矩形光去激发199Hg+能级跃迁，从而使其辐射出荧光，然后再利用荧光收集系统去收集该荧光。荧光收集系统具有很高的荧光收集效率，提高了系统的信噪比。

1 系统概况

整体的光学系统如图1所示。线形离子阱是由4根直径为4 mm，长为100 mm的金属杆均匀分布在半径为10 mm的圆周上，然后在两端加上2个端帽电极组成。

图1 线形离子阱的光学系统示意图Fig.1 Schematic diagram of optical system of linear ion trap

整个线形离子阱安装在超高真空腔中，真空度可达2×10-8Pa。线形离子阱可以囚禁约2×107个汞离子[5]。这些汞离子在线形离子阱中心排列成长为75 mm的圆柱体。由于囚禁离子的热运动，只需要将激发光源整形为23 mm×4 mm的矩形光就可以激发所有的离子能级跃迁了。首先由自制的202Hg无极谱灯发出实验所需的194.2 nm的深紫外光，经过激发透镜组整形成狭长的矩形光去激发汞离子能级跃迁。汞离子与40.5G微波作用后，吸收194.2 nm的光子，跃迁到激发态，然后再回落到基态，从而辐射出194.2 nm的光子，再用荧光收集系统将这些光子收集到光电倍增管(PMT)，通过光子计数器将光子数读出。由此可知，要求光学系统中所有透镜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的矩形光中的光子数均匀分布，并且这些光在随后的传播过程中通过真空腔上的熔融石英窗口透射出系统，不会和线形离子阱和真空腔壁发生反射从而产生杂散光。要求荧光收集系统要尽可能多的将汞离子自发辐射的194.2 nm的光子收集在PMT上，同时尽可能避免杂散光的干扰。

2 光学系统设计

2.1 光学激发系统

光学激发系统由自制的202Hg无极谱灯和激发透镜组组成。202Hg无极谱灯用来产生实验所需的194.2 nm的深紫外光，发光面为直径15 mm的圆，其发光原理简要介绍一下[6]。202Hg无极谱灯的发光泡中充有同位素202Hg和惰性气体Ar。利用高频电场对发光泡里存在的少量离子和电子加速，使其动能增加，其中动能较高的离子或电子与Ar分子碰撞，把Ar分子激发到激发态。当激发态的Ar分子回落到基态时就可以看到启辉气体Ar分子发光。但若处于激发态的Ar分子与Hg原子碰撞而把激发态的能量转移给Hg原子，自己无辐射地回落到基态，而把Hg原子激发到激发态。这个过程可以表示为

Ar*+ Hg → Hg*+ Ar

(1)

式中：Ar*为激发态的Ar分子；Hg*为激发态的Hg原子。另外有些处于激发态的Ar*分子具有很高的动能，与Hg原子碰撞时，剥掉Hg原子的一个电子，产生Hg+并将其激发到激发态，Ar*分子无辐射地回落到基态。这个过程可以表示为

Ar*+ Hg → Hg++ Ar + e

(2)

Ar*+ Hg+→ Hg+*+ Ar

(3)

Hg+*为激发态的Hg+,其退激发回落到基态辐射出实验所需的194.2 nm的光。但Hg*退激发回落到基态辐射出253.7 nm的光，会对实验产生干扰，所以要在发光泡前面加个充有同位素202Hg和惰性气体Ar，但没加高频电场的滤光泡以滤除253.7 nm的光。

光学激发系统的结构数据如表1所示。第5面和第6面是装在真空腔上的CF35熔融石英透视窗的2个面，都是直径35 mm的平面，其和线形离子阱之间的位置是固定的。为了避免光能过多地衰减，采用两块透镜来进行光学设计。根据矩形光斑长为23 mm的要求，首先通过激发透镜组将直径15 mm的面光源在线形离子阱中心成像为直径约23 mm的光斑，并使其焦点在线形离子阱中心后。然后将第4面设置为柱面[7-8]，改变透镜组在x方向的光焦度，使其聚焦在离子阱中心，而透镜组在y方向的光焦度不变，这样就可以在线形离子阱中心得到23 mm×4 mm的矩形光，并使其通过真空腔上的熔融石英窗口透射出，而不会和线形离子阱和真空腔壁发生反射从而产生杂散光。图2是物面(0,0)、(5.3,0)、(7.5,0)、(3.75,3.75)、(0,5.3)、(0,7.5)在线形离子阱中心的点列图。由此可知，光学激发系统设计结果达到要求。

表1 光学激发系统的结构数据Table 1 Configuration of optical excitation system

图2 光学激发系统点列图Fig.2 Spot diagram of optical excitation system

2.2 荧光收集系统

荧光收集系统由收集透镜组、滤波片和PMT组成，是用来收集激发态199Hg+自发辐射出194.2 nm的光子。荧光收集系统的好坏，对线形离子阱囚禁199Hg+实验的信噪比有至关重要的影响。为了避免其他波段杂散光的影响，采用中心波长为190 nm，带宽为20 nm的滤波片。PMT为英国Electron-Tube生产的9402B型日盲管，其响应波长范围为160 nm～360 nm，在194.2 nm处有较高的量子效率。荧光收集系统并不是严格意义上的成像系统，更像是一种能量收集系统，只要尽可能多地将激发态199Hg+自发辐射出194.2 nm的光子收集在直径23 mm的PMT上就可以。对像点的弥散、像点的分辨率等要求可以适当地放宽。

由于202Hg无极谱灯所发出的194.2 nm的激发光强度很弱，同时线形离子阱中囚禁的离子数量有限，因此199Hg+所辐射的荧光强度较弱。在设计荧光收集系统时，要尽量缩短收集透镜组和线形离子阱中心的距离以增加荧光收集的立体角，从而提高荧光收集效率。同时，为了收集更多的光子，将荧光发光面设置为26 mm×4 mm的矩形。荧光收集系统的结构数据如表2所示。第1面和第2面是线形离子阱和真空腔机械结构构成的面，都是固定不变的，相当于起光阑的作用。第3面和第4面是装在真空腔上的CF35熔融石英透视窗的2个面，都是直径35 mm的平面，它和线形离子阱之间的位置是固定的。考虑到系统的机械结构、透镜曲率和光能衰减等因素，采用3块透镜来进行光学设计。

表2 荧光收集系统的结构数据Table 2 Configuration of fluorescence collection system

图3是荧光发光面(0,0)、(1.2,8)、(2,13)等11个物点在像面即PMT上的足迹图。由此可知，荧光发光面在像面上成20 mm×3.6 mm的矩形光斑。荧光发光面发出的光可以很好地收集在直径23 mm的PMT上。该荧光收集系统的收集效率很高，约3%。这是实验系统迄今为止所达到的最大荧光收集效率。为了进一步减小杂散光的影响，可以在PMT前加一个适当大小的矩形光阑，从而可以进一步提高收集系统的性能。

图3 荧光发光面的足迹图Fig.3 Footprint diagram of fluorescence emitting surface

3 实验结果

光学系统是基于194.2 nm波长的光设计的，对于此深紫外的光缺乏有效的检测方法来单独检测所设计光学系统的性能。所以结合离子阱物理系统，通过检测离子的光微波双共振荧光信号来测试所设计光学系统的性能，共振荧光信号的信噪比越高则所设计的光学系统性能越好。

图4是荧光信号采集的示意图，通过Labview软件进行数据采集。图5是所测得的光微波双共振荧光信号。图5中荧光信号增加是由于囚禁的离子在光和微波的共同作用下辐射出194.2 nm的光子，这些光子经荧光收集系统很好地被PMT所接收。后面荧光信号下降是由于关闭微波导致囚禁离子不能辐射出194.2 nm的光子。由此可知，设计的光学系统完全可以满足实验需求，且具有较高的信噪比，其值约为20。

图4 荧光信号采集示意图Fig.4 Block diagram of fluorescence signal collection

图5 光微波双共振荧光信号Fig.5 Fluorescence signal of optical-microwave double-resonance

4 结论

利用Zemax软件为线形离子阱囚禁199Hg+实验设计了一套实用的光学系统。光学激发系统可以很好地将自制光谱灯发出的光在线形离子阱中心整形成23 mm×4 mm的矩形光斑。荧光收集系统可以很好地抑制杂散光的影响，具有很高的荧光收集效率，因此具有较高的信噪比。该套光学系统结构简单紧凑，易于安装调试，为高性能线形199Hg+微波频标的工程应用提供了基础。

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