塞曼效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)評(píng)述

[1]，塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)評(píng)述. 浙江大學(xué)物理系 朱精敏 陳 星 周小風(fēng)摘要:不對(duì)塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的作用、要求和關(guān)鍵作了分析和評(píng)述，指出了一些安排實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意的問(wèn)題，提出了觀察同譜線塞曼效應(yīng)的建議。關(guān)鍵詞:塞曼效應(yīng) F P標(biāo)準(zhǔn)具 氣壓掃描中圖分類(lèi)號(hào):O562.3＋2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A引言塞曼效應(yīng)在量子論的發(fā)展歷史中起了重大作用。為此曾獲得1902年度諾貝爾物理獎(jiǎng)。至今它還是研究原子結(jié)構(gòu)和能級(jí)參數(shù)的重要手段。也是激光技術(shù)、光譜技術(shù)和精密測(cè)量技術(shù)中的一種有效方法。塞曼在當(dāng)年的技術(shù)條件下，實(shí)施其實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，技術(shù)難度是很大的。當(dāng)今的技術(shù)，已能輕松從容地讓大學(xué)生去有效地觀測(cè)這一重要的科學(xué)現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)中，能有效地讓學(xué)生接觸應(yīng)用廣泛的高分辨分光儀器、線光譜光源、對(duì)均勻性有相當(dāng)要求的磁場(chǎng)、觀察干涉圖的光路系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)，有的還涉及測(cè)試的光電子系統(tǒng)和微機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)。因此，這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生通過(guò)光信號(hào)來(lái)看原子，又能得到一系列技術(shù)上的訓(xùn)練和啟發(fā)。是個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)。不僅適合物理系學(xué)生的近代物理實(shí)驗(yàn)。也適合非物理專(zhuān)業(yè)的普通物理實(shí)驗(yàn)。塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)盡管五花八門(mén)。但總是由以下幾部分組成：線光譜光源和磁體；光學(xué)傳輸系統(tǒng)；預(yù)單色器及高分辯分光儀器；觀測(cè)系統(tǒng)等。本文擬結(jié)合作者自己的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累對(duì)此發(fā)表一些看法。一．光源和磁鐵對(duì)光源的選擇著眼于要有強(qiáng)的細(xì)銳的譜線；考慮到磁鐵的成本，光源要盡量細(xì)小，以便置于較小的磁隙中；考慮到預(yù)單色器的分辯能力，譜線不要太豐富密集，以便能方便地選濾出特定譜線來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。目前普遍采用的是汞燈，尤以筆型汞燈為佳。汞的原子量大，石英放電管的溫度低，使譜線多普勒寬度較小。汞有幾條強(qiáng)譜線，波長(zhǎng)間隔大，較易分離出某一條譜線來(lái)研究。汞的同位素較多，且含量不微，因此其同位素光譜的塞曼效應(yīng)自然是疊加在一起的。磁鐵提供的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B應(yīng)盡可能均勻，以免 B的差異造成塞曼分裂的彌散而難分辯。 B的不均勻性至少要低于5%；一般取B大于0.8特斯拉，常取B 1.2特斯拉左右，以免塞曼分裂量被譜線本身的多普勒寬度所掩蓋。電磁鐵能隨意改變磁場(chǎng)，但成本高重量大；永磁體小巧，成本低，強(qiáng)永磁體的 B已能達(dá)到 1~1.2特斯拉,但不易改變 B的大小。要觀察縱向塞曼效應(yīng)時(shí)，磁極上要打一孔，對(duì)小型磁鐵來(lái)說(shuō)會(huì)嚴(yán)重影響B(tài)的均勻性，因此不少儀器不注重觀測(cè)縱向塞曼效應(yīng)。二．單色器及高分辯分光儀器塞曼效應(yīng)中譜線分裂間距大約為幾十 GHz。在可

文章編碼:見(jiàn)區(qū)約為零點(diǎn)零幾納米，必須用高分辯分光儀器才能有效觀測(cè)。目前普遍采用多光束分光儀器 F P標(biāo)準(zhǔn)具，由于級(jí)次重疊關(guān)系，需用預(yù)單色器選取狹小波長(zhǎng)范圍的光譜，再讓 F P標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行高分辯研究。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，通常采用干涉濾光片作為預(yù)單色器，但干涉濾光片通帶（一般 5~10nm）遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)具的不重疊光譜范圍（自由光譜區(qū)） ，如果光源的譜線豐富密布，就會(huì)造成譜線重疊，這時(shí)可采用單色儀或攝譜儀這樣可研究的光源和譜線的隨意度就大了。P標(biāo)準(zhǔn)具是觀察塞曼效應(yīng)的關(guān)鍵儀器，詳盡的介紹可參考專(zhuān)著，如[1],[2]。可供選擇的儀器類(lèi)型有固體介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)具、空氣隙標(biāo)準(zhǔn)具和掃描型標(biāo)準(zhǔn)具。[3]介紹了一些選用的考慮因素，在此再?gòu)?qiáng)調(diào)幾點(diǎn)。FP標(biāo)準(zhǔn)具的好壞，最核心的是二個(gè)鏡面的平面度和平行度。有的文獻(xiàn)上提到平面度“應(yīng)在λ/20以上”，其實(shí)λ/20是不夠的，只是個(gè)太低檔的指標(biāo)?，F(xiàn)代優(yōu)良的FP標(biāo)準(zhǔn)具要求二鏡面間各處的光程相差λ/100以下。對(duì)于空氣隙標(biāo)準(zhǔn)具或掃描型標(biāo)準(zhǔn)具，平行度的調(diào)整與平面度同樣重要，必須細(xì)心調(diào)整。對(duì)于固體標(biāo)準(zhǔn)具，在制作過(guò)程中，已經(jīng)保證了石英基片二鏡面平面度和平行度，省去了使用時(shí)調(diào)整的麻煩。但因材料折射率總有微小的不均勻，以及固有的吸收，比起調(diào)整優(yōu)佳的空氣介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)具，還會(huì)略有遜色。通常標(biāo)準(zhǔn)具的通光孔徑并不是最重要的，甚至5的通光孔徑都能進(jìn)行觀測(cè)了。如果平面度和平行度不好，通光孔徑越大越糟，這時(shí)寧愿犧牲孔徑而保證平面度和平行度。標(biāo)準(zhǔn)具的鏡面膜層必須是低吸收的，現(xiàn)都采用多層介質(zhì)膜，它有一定的高反射波長(zhǎng)覆蓋范圍，所研究的譜線波長(zhǎng)必須在它的高反射區(qū)域內(nèi)。多層介質(zhì)膜往往對(duì)平鏡基片造成應(yīng)力，導(dǎo)致基片的扭曲，從而影響鏡面的平面度，而且當(dāng)溫度、濕度改變時(shí)，膜層的應(yīng)力也會(huì)發(fā)生變化，有時(shí)也會(huì)造成可發(fā)覺(jué)的影響。三．光學(xué)系統(tǒng)合理的光學(xué)傳輸系統(tǒng)能使實(shí)驗(yàn)效果更好。置于磁隙中的汞燈，由于磁隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度B不盡均勻，尤其在小型磁鐵中，其不均勻更為嚴(yán)重，因此不同部位的汞原子發(fā)出的光有著不同的塞曼裂距，若疊加在一起就會(huì)使總的干涉圖模糊，甚至不能分辯各塞曼分量。為此可以在汞燈近旁設(shè)置一個(gè)光闌 H,只讓L2。固體標(biāo)準(zhǔn)具的角色散正比于圖1塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)光學(xué)系統(tǒng)B較均勻部分的燈光能通過(guò)（見(jiàn)圖1）。當(dāng)軸向移動(dòng)聚光透鏡L1時(shí)，會(huì)改變?cè)贔P標(biāo)準(zhǔn)具處的光束截面；也會(huì)改變成像透鏡L2焦面上光斑的大小。光束截面小，能減少FP標(biāo)準(zhǔn)具平面度、平行度不理想的不良影響；光斑大小直接關(guān)系到干涉圖的亮度。光斑太大時(shí)，光分散，像太淡；光斑太小時(shí)，外圍的干涉環(huán)不顯現(xiàn)。當(dāng)光源位于L1的前焦面時(shí)，L2的后焦面上光斑是光源的像。（如圖1虛線所示）只在像的范圍內(nèi)顯現(xiàn)干涉環(huán)。這時(shí)由于像點(diǎn)和物點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，光源處B的不均勻不會(huì)造成干涉圖中不同塞曼裂距的混迭。在掃描型標(biāo)準(zhǔn)具中，常用光電探測(cè)器測(cè)量干涉圖中心的光強(qiáng)在掃描過(guò)程中的變化。因此只需要很小的光源和B在很小空間范圍內(nèi)均勻就能得到強(qiáng)的清晰信號(hào)。當(dāng)橫向移動(dòng)聚光透鏡L1時(shí)，改變了光束方向，也就改變了L2焦面上的干涉圖顯現(xiàn)部位。成像透鏡L2的焦距f以平方關(guān)系影響單色光在焦面上相鄰干涉環(huán)的間距，為了得到大小尺寸便于觀測(cè)的干涉圖就應(yīng)選取焦距合適的介質(zhì)折射率 n的平方，如采用同樣焦距的成像透鏡會(huì)看到比自由光譜區(qū)相同的空氣隙標(biāo)準(zhǔn)具大2倍多的等傾干涉環(huán)系，環(huán)間距和環(huán)本身的寬度都會(huì)變大。干涉濾光片的通帶形狀有愛(ài)里尖峰型的和近似矩形平頂型的。后者容易覆蓋所研究的譜線，得到高透射率。前者的透射峰波長(zhǎng)與光束入射角的余弦成正比，若透射峰的波長(zhǎng)大于所研究的譜線波長(zhǎng)，可以?xún)A斜濾光片增加入射角使透射峰與譜線重合，能明顯增大光信號(hào)的強(qiáng)度。P標(biāo)準(zhǔn)具是個(gè)平行平面系統(tǒng)，其穿過(guò)L2光心的法線決定等傾干涉圖的中心，所以調(diào)節(jié) F P標(biāo)準(zhǔn)具的方位角也就調(diào)節(jié)了整個(gè)干涉環(huán)系的中心位置。P標(biāo)準(zhǔn)具的不重疊光譜范圍（自由光譜區(qū)）為~1(波數(shù)為單位)，其中n為二鏡面間FSR2nh~介質(zhì)折射率，h為鏡間距。選擇h的原則是使FSR與所研究的光譜范圍相匹配。在塞曼效應(yīng)中，譜線分裂的光譜范圍常以洛侖茲單位L來(lái)計(jì)量。eB4meC,汞546.1nm的裂距為4L，為避免相鄰級(jí)次間重疊，留約0.5L間隙，可以令~4.5L，若取B1.2特斯拉，則h約為2mm。FSR可以同時(shí)觀測(cè)該譜線的9個(gè)塞曼分量。若h取5mm，雖然在B0.5特斯拉時(shí)還不會(huì)發(fā)生級(jí)次重疊。但這時(shí)

塞曼裂距較小，而每一塞曼分量都有自身的譜線寬度。就不易分辯9個(gè)塞曼分量。如果繼續(xù)加大磁場(chǎng)，裂距加大，發(fā)生級(jí)次重疊，剩下 8個(gè)、7個(gè)，?分量，逐漸變得容易分辯了，但這時(shí)已看不到該譜線的塞曼效應(yīng)的“全景”了。四．觀察方法目視利用帶”+”字叉絲的可一維移動(dòng)并讀數(shù)的測(cè)微目鏡可清晰地觀測(cè)成像焦面上 F P標(biāo)準(zhǔn)具的等傾干涉環(huán)系，測(cè)出相應(yīng)塞曼分量的環(huán)直徑就可算得相應(yīng)塞曼裂距，并進(jìn)一步作其他計(jì)算和引證。這種方法很直觀，又簡(jiǎn)潔、成本低。已經(jīng)可以相當(dāng)滿(mǎn)意地使學(xué)生了解塞曼效應(yīng)的本質(zhì)，不失為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的好方法。拍攝早期曾普遍采用底片拍照，經(jīng)暗室處理測(cè)量干涉環(huán)直徑。隨著CCD拍攝技術(shù)的發(fā)展，這種底片拍攝技術(shù)已經(jīng)幾乎被淘汰了?，F(xiàn)在很多型號(hào)的儀器上配置了CCD攝像頭，或者干脆就按一個(gè)數(shù)碼相機(jī)，這種得到的數(shù)字干涉圖畫(huà)面很容易在電腦屏幕上顯示，若制作一個(gè)軟件，可方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。一維CCD線陣可能達(dá)到更高的象素分辨率，它在屏幕上顯示的是如圖2圖2CCD線陣所攝的汞綠線塞曼效應(yīng)π分量所示的光強(qiáng)分布曲線，頗有“譜”的感覺(jué)，只是其橫坐標(biāo)不是波長(zhǎng)或頻率的線性坐標(biāo)。同時(shí)，譜的強(qiáng)度受照度分布和傾角的影響。對(duì)于采用CCD攝像技術(shù)的儀器中，本文作者的建議是，不管觀測(cè)手段如何，還是應(yīng)突出實(shí)驗(yàn)的物理本質(zhì)和實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵所在，例如， F P標(biāo)準(zhǔn)具還應(yīng)讓實(shí)驗(yàn)者能方便而精確地調(diào)好平行度（固體標(biāo)準(zhǔn)具不需調(diào)）；能目視看到標(biāo)準(zhǔn)具的等傾干涉圖中的塞曼分裂的情形等；不要把儀器做成玄乎的”黑盒子”；同時(shí)不要把簡(jiǎn)單問(wèn)題復(fù)雜化、把直接測(cè)量間接化，引入一些不必要的新誤差源。2. 光電掃描記錄從F P標(biāo)準(zhǔn)具的干涉極大表示式 m 2nhcos可知，改變光線角度 、改變鏡間距 h或改變鏡面間介質(zhì)折射率n，都可以實(shí)現(xiàn)干涉光譜的掃描。改變傾角法過(guò)去通常是轉(zhuǎn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)具本身， 在成象透鏡焦平面上設(shè)置一微孔光闌，隨著標(biāo)準(zhǔn)具法線取向的變化，使整套干涉環(huán)過(guò)中心地掃過(guò)微孔光闌。光電探測(cè)器接受光闌后的光強(qiáng)，得到類(lèi)似如圖 2的“譜”，與現(xiàn)代的線陣CCD原理接近，由于CCD的反應(yīng)速度快，無(wú)需機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，故已取代了傾角機(jī)械掃描法。這二種方法可用于h和n不易改變的固體標(biāo)準(zhǔn)具。其缺點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)具的角色散的非線性使掃描也是非線性的；不能利用干涉環(huán)中心色散最大處；大傾角方向干涉光束數(shù)目減少，從而分辨率下降,光強(qiáng)也下降。較好的辦法是掃描 h或n。這時(shí)干涉環(huán)的圓心位置不變，而從中心冒出（h或n增大）或湮滅（h或n減少），探測(cè)通過(guò)中心針孔光闌的光強(qiáng)，得到如圖3所示的光譜。這樣的掃描是線性的；分辨率是一致的；利用了中心色散最大的優(yōu)點(diǎn)。改變h可用精密絲桿勻速移動(dòng)一面鏡子來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這種方法穩(wěn)定性差，一般不采用。通常把標(biāo)準(zhǔn)具的一面鏡子固定在可以伸縮的支承材料上，這種伸縮可以是壓電伸縮或磁致伸縮，或其它原理的伸縮。其中壓電伸縮用的最多。這種方法操作方便，反應(yīng)快速可在示波器上觀察光譜。主要缺點(diǎn)是在改變 h時(shí)，不易保持二鏡嚴(yán)格平行；同時(shí)必須有一鏡是可動(dòng)支承結(jié)構(gòu)，使其機(jī)械穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性降低。汞綠線同位素結(jié)構(gòu)和塞曼分裂圖3.掃描h或n的F P標(biāo)準(zhǔn)具光譜改變鏡間氣壓來(lái)改變n是廣泛采用的簡(jiǎn)單而可靠的方法，掃描時(shí)不會(huì)破壞二鏡的平行性，采用固定間隔環(huán)的F P標(biāo)準(zhǔn)具的穩(wěn)定性好，對(duì)震動(dòng)干擾不敏感。這種方法的局限僅在于氣壓不能很快改變，故不適合研究波長(zhǎng)和光強(qiáng)較快漂變的光源；同時(shí)必須有毫米量級(jí)的鏡間距，才能方便地實(shí)現(xiàn)幾個(gè)干涉級(jí)次的掃描范圍。改變氣壓時(shí)應(yīng)該注意抑制溫度的變化，以免導(dǎo)致不良影響。在氣壓掃描標(biāo)準(zhǔn)具系統(tǒng)中，可利用等厚干涉直接看到二鏡面平面度和平行度。這對(duì)正確調(diào)整平行度到最佳狀態(tài)很有幫助，它可提供極其敏感的平行度調(diào)節(jié)指示和平面度分布指示。對(duì)了解儀器原理，理解實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵和提高實(shí)驗(yàn)精度都有重要作用。同時(shí)還可利用光闌選取平面度和平行度好的區(qū)域作為實(shí)際通光孔徑，以保證儀器的優(yōu)良分辯率[4]。

在氣壓掃描光譜中，通常只探測(cè)透過(guò)干涉圖中心的針孔光闌的光強(qiáng)，這里正好是標(biāo)準(zhǔn)具分辨率最高、色散最大的地方；由于是定點(diǎn)檢測(cè)，不受照度分布的影響，只要光源穩(wěn)定，所得到的光譜就可以進(jìn)行定量的相對(duì)強(qiáng)度研究；而且波長(zhǎng)或頻率坐標(biāo)是線性的；一般使燈的像成在L2的焦面上，所以即使光源很?。ɡ绮捎脝紊珒x的出光縫），只要投射到干涉圖中心，信號(hào)強(qiáng)度就足夠大；磁場(chǎng)不均勻的影響很小。如果把CCD攝像看成二維或一維空間掃描，那么氣壓掃描用光電倍增管探測(cè)干涉圖中心光強(qiáng)可看作定點(diǎn)的時(shí)間掃描。它們各有特色，現(xiàn)作比較如下項(xiàng)目CCD攝像氣壓掃描1所利用干涉類(lèi)等傾干涉等厚干涉型2探測(cè)速度快較慢3標(biāo)準(zhǔn)具調(diào)整水一般有直接的極靈敏的平平行度和平面度指示4光源是否在干不成像可成像涉圖成像面成像5作定量分析的難以做定只要光源穩(wěn)定,可直接前提量分析進(jìn)行譜線強(qiáng)度定量分析6電腦處理數(shù)據(jù)可以可以7譜線波長(zhǎng)坐標(biāo)非線性線性8分辨率中心高,邊高,且一致緣降低9對(duì)磁場(chǎng)均勻性較高較低要求10學(xué)生可看可動(dòng)較少多內(nèi)容五．多譜線觀察同一原子的不同譜線，由于能級(jí)量子數(shù)不同、耦合情［4］。況不同，會(huì)有不同的塞曼效應(yīng)表現(xiàn)。多譜線觀察可以引導(dǎo)學(xué)生更深入地關(guān)注原子的各量子數(shù)影響，也更全面了解塞曼效應(yīng)。多譜線觀測(cè)在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上主要涉及到FP標(biāo)準(zhǔn)具鏡面高反射波長(zhǎng)范圍是否覆蓋到需觀測(cè)的譜線。目前一般國(guó)產(chǎn)F P標(biāo)準(zhǔn)具中多層介質(zhì)反射膜的常只針對(duì)汞綠線,我們制作了全面兼顧到汞燈的 546.1nm、577nm和579nm,435.8nm和404.7nm的F P標(biāo)準(zhǔn)具,可清晰觀測(cè)不同譜線的反常塞曼效應(yīng)和正常塞曼效應(yīng)，用濾光片來(lái)分離577nm和579nm二條黃光線雖有困難，但此二條黃線分別分裂成三條塞曼分量還是可以清晰地觀測(cè)的。參考文獻(xiàn)：［1］M玻恩，E沃爾夫。光學(xué)原理［ M］。北京：科學(xué)出版社.1978.上冊(cè)421－4452］王文桂，干涉光譜學(xué)［M］。宇航出版社.19883］朱精敏等.塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中FP標(biāo)準(zhǔn)具的選擇和使用［J］,物理實(shí)驗(yàn),2001，Vol.21,特刊62－644］朱精敏等,氣壓掃描FabryPerot分光光度計(jì)和塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)［