研究原子高激发态碰撞效应的新方法

摘 要：物质世界由原子分子构成，对原子分子碰撞进行的研究，能帮助我们更好的了解微观粒子的内部结构以及相关规律。碰撞效应包括谱线的频移和展宽，谱线的线性非对称性和谱线伴线等现象。其中碰撞引起的原子高激发态谱线展宽和频移是碰撞效应的重要组成部分，对近年来兴起的量子通讯和量子计算领域研究具有极其重要的作用。双光子共振非简并四波混频作为一种拥有高分辨率的激光光谱学技术，被发现在研究原子高激发态的碰撞效应方面具有比现代碰撞测量技术更为优秀的表现。

关键词：碰撞效应；里德伯态；四波混频

1碰撞效应

1.1 碰撞问题的发展

早在16世纪，物理学家就开始提出与碰撞相关的问题，并且在长期的研究过程中逐渐建立了相应的理论，来探索碰撞问题并研究其规律及特点。其中，最著名的成就之一，就是牛顿在总结了物体之间相互碰撞的规律，并进行了大量的实验之后，提出了作用与反作用定律，极大的促进了人们对碰撞问题的探索。只是，当时对碰撞问题的研究还仅限于宏观物体。随着科学技术的发展，到近现代，物理学界对碰撞问题的探索早已深入到微观领域。19世纪初，卢瑟福基于碰撞理论，进行了著名的α粒子散射实验，提出了原子的有核模型，认为原子内存在原子核，原子核很小，并且原子的大部分质量都集中在原子核上。1925年，弗兰克和赫兹在研究电子与惰性气体碰撞的性质时，发现了电子和分子之间的弹性碰撞。19世纪末，科学家们深入的研究了电子与质子及束缚中子的非弹性碰撞。我们知道，物质世界是由原子分子构成的，在微观领域对碰撞问题进研究，有助于我们更好的了解原子分子的内部结构以及相关规律。所以，在粒子碰撞方面的探究，正在吸引人们越来越多的研究热情。目前碰撞效应的研究主要集中在原子和原子间的碰撞现象。

1.2 碰撞问题分类

碰撞效应是指当一个粒子同其他原子或分子等发生相互碰撞的时候，其固有的辐射频率发生了变化。在碰撞过程中，根据是否存在原子激发，可以分为弹性碰撞和非弹性碰撞。

（1）弹性碰撞

如果在碰撞过程中粒子的总动能没有发生改变，只是在粒子间相互传递，而且没有引起粒子内能的变化，也没有引发能级跃迁，这样的过程即为弹性碰撞。当粒子间发生弹性碰撞时，在发光过程中会使粒子的相位发生突变，从而引起谱线的频移与展宽。

（2）非弹性碰撞

在碰撞过程中，不仅粒子的动能发生了改变，同时也引起了粒子内能的变化，在碰撞后一部分粒子內能增加，并且增加值足以引发其由低能级到高能级的跃迁，并伴随有原子辐射，这个过程就称为为非弹性碰撞。只有在非弹性碰撞的过程中才可能存在原子激发[1]。在此过程中我们可以发现一些有趣的现象，比如出现了伴线和发生了谱线移动，也就是发生了能级再分布现象，这可以帮助我们实现在原子中存在的某些光学禁戒跃迁[2]。

总之，原子间的弹性碰撞主要表现为原子谱线的展宽和频移，非弹性碰撞主要表现为原子谱线的伴线现象。

1.3 原子间碰撞效应的研究方法

处于原子的高激发态的价电子与原子核间的距离很大，受到原子核作用力很小，因而价电子可以在高激发态的轨道上存在很长的时间。在同一时刻，价电子跃回低能量态所发出的荧光极弱，难于被观测到。所以现代测量技术在先用激光将原子激发到高激发态后并不观测电子由高激发态向下跃迁产生的荧光，而是外加电场，将处于高激发态的电子电离掉，然后通过电路测量电离后的电子和离子来间接获得高激发态的碰撞信息。这样就造成了实验设备复杂，测量到的高激发态的碰撞展宽不是两个特定能态间相互作用的结果。

2四波混频

2.1 四波混频的特点

四波混频是有四束光波参与的非线性光学过程，其中的三束光为入射激光，第四束为沿确定方向出射的信号光。具有共振激发的四波混频（FWM）是一种用途很广的高分辨率激光光谱学技术。它在分析化学、燃烧和材料研究等很多领域里都有重要应用。它具有高分辨率，可以消除强荧光背景和超快动态的时间分辨测量能力，因此比其他技术更为优越。而其中的共振增强非简并四波混频（NFWM），更具有优秀的空间信号分辨率，可自由选择相互作用体积和简单的光路结构，并且相位匹配可以在很宽的频率范围内实现的突出优势，从而在四波混频光谱学中最为优异[3]。

近年来，人们将共振增强非简并四波混频应用在原子高激发态的研究领域，取得了突出进展。最近更将之用于研究原子的碰撞效应，成为了一种研究碰撞效应的新工具。

2.1 共振增强非简并四波混频的原理

用于研究原子高激发态碰撞效应的四波混频为双光子共振非简并四波混频。它的光路结构简单，如图1（a）所示[4]。光束2和2具有相同的频率 ，它们间有一个小夹角 ，光束1的频率是 ，它沿与光束2相反的方向入射到样品池中。如图1（b）所示的三能级结构中，光束1和2共同作用将原子的价电子由能级 态激发到能级 态上，这是一个双光子参与的过程。之后，光束2使价电子跃迁至能级 附近，进而产生频率为 ，沿几乎与光束2相反方向的信号光。其中光束1和2的频率和 + 越接近 和 能级的固有频率 ，就会获得越多的 能级对NFWM过程的共振增强，使四波混频信号极大增强，从而双光子共振非简并四波混频的谱线反映了能级 的频率和分布。

图1 双光子共振非简并四波混频原理图

（a）光路图；（b）能级结构图

3.应用双光子共振非简并四波混频研究原子高激发态的碰撞效应

图2 不同缓冲气压下，钡原子6s16d 1D2态的NFWM谱线

近年来，人们开始采用双光子共振非简并四波混频研究原子高激发态的碰撞效应，例如孙江等学者采用双光子共振非简并四波混频的方法对钡原子里德伯态的碰撞效应进行了测量[4]。他们将氩气作为缓冲气体，研究样品炉中钡原子（蒸汽）和氩原子发生的碰撞效应。图2是钡原子高激发态6s16d1D2的NFWM谱线。图中可以看到当缓冲气压（反映了氩原子和钡原子发生碰撞的频率）由133.32帕斯卡（Pa）增加到79999帕斯卡（Pa）的过程中，6s16d 1D2态的四波混频谱线不断展宽，其共振频率也向左发生了移动。由于双光子共振NFWM的谱线反映了钡原子6s16d1D2态的频率和形状，该图直观的展示了碰撞引起的6s16d1D2态的展宽和频移。

采用双光子共振非简并四波混频研究原子的高激发态碰撞效应，具有光路简单，采用实验设备少的优点，同时该方法研究的是和能级能级间的碰撞展宽，对于量子信息和量子技术具有重要意思。

参考文献

[1] 钱汝兰.碰撞与原子的激发[J].济宁师专学报，1999，20（6）：26.

[2] Zhiying Li. Inelastic collisions in ultracold gases confined by. one-dimensional optical lattices[J]. Phys. Rev.A.81， 012701 （2010）.

[3] Y. R. Shen. The Principles of Nonliner Optics[M].John Willey &Sons， Inc. New York，1984.

[4] Sun J， Sun J， Wang Y， Su H X 2012 Acta Phys. Sin. 61 124205 （in Chinese） [孙江， 刘鹏， 孙娟， 苏红新， 王颖2012 物理学报 61 124205].

作者简介：常晓阳（1987-），男，汉族，山西省长治市人，河北大学光学硕士，单位：河北大学物理科学与技术学院，研究方向：非线性光学。