第九章 分子束光譜

1、第九章第九章 分子束與光學(xué)雙共振技術(shù)分子束與光學(xué)雙共振技術(shù) 超聲分子束超聲分子束 超冷分子產(chǎn)生超冷分子產(chǎn)生 分子束中的非線性分子束中的非線性第第8.1節(jié)節(jié) 超聲分子束超聲分子束分子束用途：分子束用途：準直，消準直，消Doppler加寬；加寬；內(nèi)態(tài)泵浦，簡化光譜，提高數(shù)密度；內(nèi)態(tài)泵浦，簡化光譜，提高數(shù)密度；平動冷卻，形成弱鍵平動冷卻，形成弱鍵van der Waals分子；分子；探測區(qū)無碰撞環(huán)境。探測區(qū)無碰撞環(huán)境。原子腔體中的原子密度和氣原子腔體中的原子密度和氣壓壓p小小增加原子相互作用增加原子相互作用自由程，忽略碰撞效應(yīng)自由程，忽略碰撞效應(yīng)發(fā)散角發(fā)散角密度分布密度分布一，準直分子束：一，準直分

2、子束： 擴散束擴散束 (孔徑孔徑 A 平均自由程平均自由程 )消消Doppler加寬加寬發(fā)散角發(fā)散角sin = (b/2)/d 1*sinDDD Doppler shiftx 方向密度分布方向密度分布吸收截面吸收截面吸收線型吸收線型熱平衡氣體吸收線性熱平衡氣體吸收線性共振吸收截面共振吸收截面Thermal gasCollimated molecular beam二、超聲絕熱膨脹冷卻：二、超聲絕熱膨脹冷卻：能量守恒，溫度降低能量守恒，溫度降低膨脹前后能量守恒膨脹前后能量守恒內(nèi)能內(nèi)能勢能勢能動能動能膨脹前熱平衡膨脹前熱平衡膨脹到真空腔膨脹到真空腔如果初始能量如果初始能量U0+P0V0全部轉(zhuǎn)換化為動

3、能全部轉(zhuǎn)換化為動能 ，則，則U=0T=0降低原子的內(nèi)部能量降低原子的內(nèi)部能量U, 也就是降低原子之間的也就是降低原子之間的相對相對運動速度，降運動速度，降低原子的溫度低原子的溫度如果原子速度大于局域聲波速度如果原子速度大于局域聲波速度 超聲分子束超聲分子束初級準直初級準直準直后形準直后形成分子束成分子束與原子飛行方向相同的與原子飛行方向相同的z方向的溫度方向的溫度T/在平行方向在平行方向準直前準直前準直后準直后垂直方向垂直方向探測平行和垂直方向的探測平行和垂直方向的Doppller譜型，確定兩個方向密度分布譜型，確定兩個方向密度分布平行方向平行方向垂直方向垂直方向冷分子束可以用于減少轉(zhuǎn)動能和振

4、動能冷分子束可以用于減少轉(zhuǎn)動能和振動能UvibUtranstranstranstransrotrotvibtransvib,UtransUtrans利用惰性氣體可以達到利用惰性氣體可以達到T/1KPure NO25% NO2 in Ar當兩個原子當兩個原子A結(jié)合形成分子結(jié)合形成分子A2時，分子束縛能會轉(zhuǎn)換到第三者上而時，分子束縛能會轉(zhuǎn)換到第三者上而產(chǎn)生加熱效應(yīng)，阻止平動能到達小值。但是惰性氣體分子束縛能小，產(chǎn)生加熱效應(yīng)，阻止平動能到達小值。但是惰性氣體分子束縛能小，可以用來減少加熱效應(yīng)可以用來減少加熱效應(yīng)8.2節(jié)節(jié) 產(chǎn)生超冷分子產(chǎn)生超冷分子平動態(tài)冷分子制備方法平動態(tài)冷分子制備方法1、冷原子、冷

5、原子 -(Feshbach) 平動冷平動冷振動熱振動熱的分子的分子 -(相干布居絕熱轉(zhuǎn)移相干布居絕熱轉(zhuǎn)移) 平動、振轉(zhuǎn)基態(tài)分子平動、振轉(zhuǎn)基態(tài)分子2、熱分子、熱分子 -(多級多級Stark減速減速) 冷分子冷分子磁場磁場Feshbach共振共振In Ultracold domainMagnetic moments of closed channel and open channel are different:0cEBScattering lengthBinding energyMagnetic moment differenceRMP, 82, 1225, 2010, Chin磁場掃描通過磁場

6、掃描通過FeshbachRF coupling三體復(fù)合三體復(fù)合（1）Molecule based on utracold atoms非彈性碰撞；非彈性碰撞；粒子數(shù)損失；粒子數(shù)損失；針對玻色體系；針對玻色體系；不可控。不可控。Feshbach moleculecreationCoherent Ramanstate transfer to ground vibrational state+1，磁場掃描通過，磁場掃描通過Feshbach2，RF couplingPRA, 78, 013416, 2008, Jin2/7, 2/91 , 1 KRb2/9, 2/91 , 1 KRbMolecular

7、statefree freemolecule free161kHzRb87+K40PRL, 94, 103201, 2005Li6bound boundfree boundGround state for Li6abcEDU（2）熱分子）熱分子 -(多級多級Stark減速減速) 冷分子冷分子囚禁囚禁取自葉軍報告取自葉軍報告具有電耦極矩的分子在電場中擁有電場勢具有電耦極矩的分子在電場中擁有電場勢（Stark勢），根據(jù)能量守恒，動能減少，溫度勢），根據(jù)能量守恒，動能減少，溫度降低。當多次經(jīng)過脈沖電場，分子溫度降低。降低。當多次經(jīng)過脈沖電場，分子溫度降低。Nature, 406, 491, 2000

8、實驗裝置實驗裝置分子囚禁分子囚禁CO: d=1.37 debyeND3: d=1.5 debye; T=2mK準直準直多級減速多級減速囚禁囚禁loadingtrapping（3）熱分子）熱分子 -(buff gas碰撞碰撞) 冷分子冷分子囚禁囚禁CaH + He碰撞減速碰撞減速磁場囚禁磁場囚禁BUBCaO1mKT50400CaH2 CaH囚禁磁場囚禁磁場Nature, 395, 148, 1998第第8.3節(jié)節(jié) 分子束中的非線性光譜分子束中的非線性光譜分子束飽和吸收譜分子束飽和吸收譜方案方案1：M1反射形成飽和吸收反射形成飽和吸收 分子束發(fā)散，還會帶來分子束發(fā)散，還會帶來Doppler加寬加寬

9、方案方案2：M2和和M3代替代替M1形成飽和吸收形成飽和吸收利用利用f1f1，f2f2進行調(diào)制進行調(diào)制消除剩余消除剩余Doppler Doppler 加寬；加寬；防止只用防止只用M1M1，反射光進入激光器。，反射光進入激光器。只用只用M1利用利用M2,M3消除消除剩余剩余DopplerMHz15快速離子束激光光譜快速離子束激光光譜(FIBLAS)兩離子經(jīng)過電場加速兩離子經(jīng)過電場加速電場電場初速度初速度末速度末速度其中其中如果如果加速后增加能量，增加平動速度，但是相對速度減加速后增加能量，增加平動速度，但是相對速度減少，速度差異主要由加速電場決定，如果電場少，速度差異主要由加速電場決定，如果電場

10、穩(wěn)定，則速度差穩(wěn)定。穩(wěn)定，則速度差穩(wěn)定。 加速冷卻加速冷卻同向離子束光譜探測：同向離子束光譜探測：1，相互作用時間長，相互作用時間長線寬壓窄線寬壓窄高靈敏度高靈敏度 對于相互作用長度對于相互作用長度L=10cm，渡越加寬，渡越加寬 垂直探測，光的直徑垂直探測，光的直徑1mm，渡越加寬，渡越加寬2，固定激光頻率，調(diào)節(jié)加速電場，固定激光頻率，調(diào)節(jié)加速電場U，或者，或者U1和和U2，獲得光譜。，獲得光譜。分子束時間飛行質(zhì)譜分子束時間飛行質(zhì)譜(TOF)選擇特定能態(tài)和質(zhì)量的離子碎片選擇特定能態(tài)和質(zhì)量的離子碎片形成離子形成離子M+12將離子將離子M+激發(fā)到需要的電子激發(fā)態(tài)激發(fā)到需要的電子激發(fā)態(tài)3獲得離子碎片獲得離子碎片F(xiàn)+。由于電場一樣，所受的力一樣，不同的質(zhì)量，加速度不一樣，到達。由于電場一樣，所受的力一樣，不同的質(zhì)量，加速度不一樣，