[發(fā)明專利]通過太赫茲波檢測氣體里德伯態(tài)精細譜線的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410750016.4
• 申請日: 2014-12-10
• 公開（公告）號: CN104457991A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 彭滟;朱亦鳴;周云燕;霄煒;羅坤;陳向前;鐘宇;鄭書琪
• 申請（專利權(quán)）人: 上海理工大學(xué)
• 主分類號: G01J3/42
• 分類號: G01J3/42
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 吳寶根

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電子所處能級狀態(tài)檢測方法，特別涉及一種通過太赫茲波檢測氣體原子/分子的里德伯態(tài)精細譜線的方法。

背景技術(shù)

里德伯態(tài)是指基態(tài)的原子/分子吸收外部能量后電子被激發(fā)到高能級的一種激發(fā)態(tài)，其價電子離原子實很遠，庫侖作用較小，相比于普通原子具有半徑大、壽命長、結(jié)合能小的特點，因而處于里德伯態(tài)的原子/分子很容易受到外加電磁場或其他原子分子的碰撞等影響而改變性能。高激發(fā)態(tài)的研究是原子物理的新課題，里德伯態(tài)原子/分子對于原子物理的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)具有重要意義。

太赫茲波是指頻率在0.1-10?THz范圍（波長在0.03到3?mm范圍）的電磁波（1?THz=10¹²?Hz），在電磁波譜中位于微波與紅外輻射之間。太赫茲波特殊的電磁波譜位置使得它具有許多獨特的優(yōu)點，例如光子能量低，在毫電子伏特量級，不會對生物組織產(chǎn)生有害的光致電離、很多物質(zhì)在該波段都有很強的吸收和色散，可以用于鑒別不同物質(zhì)等。

由于里德伯態(tài)原子/分子相鄰兩個能級之間的能量間隔隨主量子數(shù)的增加而迅速減小，這使得檢測里德伯態(tài)原子/分子需要有高分辨率的光譜技術(shù)。太赫茲波的能量正好落在這些能級差的范圍內(nèi)，剛好可以被吸收，所以能夠用于探測氣體原子/分子的里德伯態(tài)精細譜線。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是針對里德伯態(tài)原子/分子的電子所處能級狀態(tài)難以檢測的問題，提出了一種通過太赫茲波檢測氣體里德伯態(tài)精細譜線的方法，可以檢測各種高純度的氣體中電子所處的能級狀態(tài)。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種通過太赫茲波檢測氣體里德伯態(tài)精細譜線的方法，包括激光光源，單色分束片，太赫茲波發(fā)射系統(tǒng)，輸入太赫茲窗片，壓強監(jiān)控裝置，密閉腔，真空泵,?輸出太赫茲窗片，太赫茲波譜探測系統(tǒng)，第一反射鏡，第二反射鏡，延時模塊，第三反射鏡，第一柱透鏡，第二柱透鏡，第四反射鏡，激光增透窗片，氣體管，光垃圾桶；從激光光源輸出的超短脈沖激光經(jīng)單色分束片，一部分進入太赫茲波發(fā)射系統(tǒng)，輻射出的太赫茲波聚焦后通過密閉腔上的輸入太赫茲窗片進入密閉腔，太赫茲波焦點在密閉腔內(nèi)部，另一部分超短脈沖激光依次經(jīng)過第一、第二反射鏡后，通過延時模塊，再經(jīng)第三反射鏡后通過第一柱透鏡和第二柱透鏡，最后經(jīng)第四反射鏡反射并通過密閉腔上的激光增透窗片進入密閉腔，在太赫茲波焦平面處聚焦；由真空泵將密閉腔抽成真空狀態(tài)后，再通過氣體管注入高純度檢測氣體，檢測氣體被聚焦的超短脈沖激光電離形成片狀等離子體，該片狀表面與太赫茲波入射方向垂直；太赫茲波和片狀等離子體在密閉腔內(nèi)相互作用，光垃圾桶收集聚焦后發(fā)散的超短脈沖激光，壓強監(jiān)控裝置控制密閉腔內(nèi)部的氣體壓強，太赫茲波和片狀等離子體相互作用后，繼續(xù)向前通過輸入太赫茲窗片正對的輸出太赫茲窗片進入太赫茲波譜探測系統(tǒng)；調(diào)節(jié)延時模塊，當(dāng)太赫茲波時域重合或略滯后于片狀等離子體的產(chǎn)生時刻時，太赫茲波會和片狀等離子體產(chǎn)生相互作用，得到的太赫茲波譜相比于還無相互作用時的波譜會出現(xiàn)吸收峰，從太赫茲波譜中的吸收峰推斷出檢測氣體里德伯態(tài)原子/分子中電子所處的能級狀態(tài)。

所述單色分束片和太赫茲波發(fā)射系統(tǒng)中間增加第二分束片，單色分束片的透射光經(jīng)過第二分束片進入太赫茲波發(fā)射系統(tǒng)；第二分束片分束片的反射激光作為太赫茲波譜探測系統(tǒng)的探測光，依次經(jīng)過第一反射鏡組、第二延時模塊以及第二反射鏡組，最后通過高阻硅片反射與輸出太赫茲窗片輸出的透過高阻硅片的太赫茲波重合一起進入太赫茲波譜探測系統(tǒng)。

所述太赫茲波發(fā)射系統(tǒng)，選擇利用非線性效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲波；或者選擇利用光整流原理產(chǎn)生太赫茲波；或者選擇光電導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲波。

所述太赫茲波譜探測系統(tǒng)選擇電光采樣探測法，或者光電導(dǎo)天線探測法，或者THz?air-breakdown-coherent-detection探測法。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明通過太赫茲波檢測氣體里德伯態(tài)精細譜線的方法，分辨率高，裝置簡單，容易操作，應(yīng)用范圍廣。

附圖說明

圖1為本發(fā)明通過太赫茲波檢測氣體里德伯態(tài)精細譜線裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例通過激光束通過柱透鏡A和柱透鏡B后的光斑形狀示意圖；

圖3為本發(fā)明以高純氮氣為例，基態(tài)、里德伯態(tài)和電離態(tài)之間的轉(zhuǎn)化示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例示意圖。

具體實施方式