通过太赫兹波检测气体里德伯态精细谱线的方法

摘要

本发明涉及一种通过太赫兹波检测气体里德伯态精细谱线的方法，从激光光源输出的超短脉冲激光经单色分束片，一部分进入太赫兹波发射系统，辐射出太赫兹波汇聚进入密闭腔，聚焦在密闭腔内部，另一部分超短脉冲激光经依次经过可调节光路进入密闭腔，在太赫兹波焦平面处聚焦；由真空泵将密闭腔抽成真空状态后，再通过气体管注入检测气体，检测气体被聚焦的超短脉冲激光电离形成片状等离子体，该片状表面与太赫兹波入射方向垂直；太赫兹波和片状等离子体在密闭腔内相互作用，太赫兹波谱探测系统检测相互作用产生的吸收峰，从太赫兹波谱中的吸收峰推断出检测气体里德伯态原子分子中电子所处的能级状态。分辨率高，装置简单，容易操作，应用范围广。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子所处能级状态检测方法，特别涉及一种通过太赫兹波检测气体原子\分子的里德伯态精细谱线的方法。

背景技术

里德伯态是指基态的原子\分子吸收外部能量后电子被激发到高能级的一种激发态，其价电子离原子实很远，库仑作用较小，相比于普通原子具有半径大、寿命长、结合能小的特点，因而处于里德伯态的原子\分子很容易受到外加电磁场或其他原子分子的碰撞等影响而改变性能。高激发态的研究是原子物理的新课题，里德伯态原子\分子对于原子物理的基础研究和应用开发具有重要意义。

太赫兹波是指频率在0.1-10 THz范围（波长在0.03到3 mm范围）的电磁波（1 THz=10¹² Hz），在电磁波谱中位于微波与红外辐射之间。太赫兹波特殊的电磁波谱位置使得它具有许多独特的优点，例如光子能量低，在毫电子伏特量级，不会对生物组织产生有害的光致电离、很多物质在该波段都有很强的吸收和色散，可以用于鉴别不同物质等。

由于里德伯态原子\分子相邻两个能级之间的能量间隔随主量子数的增加而迅速减小，这使得检测里德伯态原子\分子需要有高分辨率的光谱技术。太赫兹波的能量正好落在这些能级差的范围内，刚好可以被吸收，所以能够用于探测气体原子\分子的里德伯态精细谱线。

发明内容

本发明是针对里德伯态原子\分子的电子所处能级状态难以检测的问题，提出了一种通过太赫兹波检测气体里德伯态精细谱线的方法，可以检测各种高纯度的气体中电子所处的能级状态。

本发明的技术方案为：一种通过太赫兹波检测气体里德伯态精细谱线的方法，包括激光光源，单色分束片，太赫兹波发射系统，输入太赫兹窗片，压强监控装置，密闭腔，真空泵, 输出太赫兹窗片，太赫兹波谱探测系统，第一反射镜，第二反射镜，延时模块，第三反射镜，第一柱透镜，第二柱透镜，第四反射镜，激光增透窗片，气体管，光垃圾桶；从激光光源输出的超短脉冲激光经单色分束片，一部分进入太赫兹波发射系统，辐射出的太赫兹波聚焦后通过密闭腔上的输入太赫兹窗片进入密闭腔，太赫兹波焦点在密闭腔内部，另一部分超短脉冲激光依次经过第一、第二反射镜后，通过延时模块，再经第三反射镜后通过第一柱透镜和第二柱透镜，最后经第四反射镜反射并通过密闭腔上的激光增透窗片进入密闭腔，在太赫兹波焦平面处聚焦；由真空泵将密闭腔抽成真空状态后，再通过气体管注入高纯度检测气体，检测气体被聚焦的超短脉冲激光电离形成片状等离子体，该片状表面与太赫兹波入射方向垂直；太赫兹波和片状等离子体在密闭腔内相互作用，光垃圾桶收集聚焦后发散的超短脉冲激光，压强监控装置控制密闭腔内部的气体压强，太赫兹波和片状等离子体相互作用后，继续向前通过输入太赫兹窗片正对的输出太赫兹窗片进入太赫兹波谱探测系统；调节延时模块，当太赫兹波时域重合或略滞后于片状等离子体的产生时刻时，太赫兹波会和片状等离子体产生相互作用，得到的太赫兹波谱相比于还无相互作用时的波谱会出现吸收峰，从太赫兹波谱中的吸收峰推断出检测气体里德伯态原子\分子中电子所处的能级状态。

所述单色分束片和太赫兹波发射系统中间增加第二分束片，单色分束片的透射光经过第二分束片进入太赫兹波发射系统；第二分束片分束片的反射激光作为太赫兹波谱探测系统的探测光，依次经过第一反射镜组、第二延时模块以及第二反射镜组，最后通过高阻硅片反射与输出太赫兹窗片输出的透过高阻硅片的太赫兹波重合一起进入太赫兹波谱探测系统。

所述太赫兹波发射系统，选择利用非线性效应产生太赫兹波；或者选择利用光整流原理产生太赫兹波；或者选择光电导天线产生太赫兹波。

所述太赫兹波谱探测系统选择电光采样探测法，或者光电导天线探测法，或者THz air-breakdown-coherent-detection探测法。

本发明的有益效果在于：本发明通过太赫兹波检测气体里德伯态精细谱线的方法，分辨率高，装置简单，容易操作，应用范围广。

附图说明

图1为本发明通过太赫兹波检测气体里德伯态精细谱线装置结构示意图；

图2为本发明实施例通过激光束通过柱透镜A和柱透镜B后的光斑形状示意图；

图3为本发明以高纯氮气为例，基态、里德伯态和电离态之间的转化示意图；

图4为本发明实施例示意图。

具体实施方式

如图1所示通过太赫兹波检测气体里德伯态精细谱线装置结构示意图，包括激光光源1，单色分束片2，太赫兹波发射系统3，太赫兹窗片A4，压强监控装置5，密闭腔6，真空泵7, 太赫兹窗片B8，太赫兹波谱探测系统9，反射镜A10，反射镜B11，延时模块12，反射镜C13，柱透镜A14，柱透镜B15，反射镜D16，激光增透窗片17，气体管18，光垃圾桶19。从激光光源1输出的超短脉冲激光经单色分束片2，一部分进入太赫兹波发射系统3，辐射出的太赫兹波汇聚后通过密闭腔6上的太赫兹窗片A4进入密闭腔6，太赫兹波焦点在密闭腔6内部，另一部分超短脉冲激光经反射镜A10和反射镜B11后，通过延时模块12，再经反射镜C13后通过柱透镜A14和柱透镜B15，最后经反射镜D16反射并通过密闭腔6上的激光增透窗片17进入密闭腔6，在太赫兹波焦平面处聚焦。由真空泵7将密闭腔6抽成真空状态后，再通过气体管18注入某种气体，气体被聚焦的超短脉冲激光电离形成片状等离子体，该片状表面与太赫兹波入射方向垂直。太赫兹波和片状等离子体在密闭腔6内相互作用。光垃圾桶19用于收集聚焦后发散的超短脉冲激光，避免这些光在后续光路中由于漫反射而影响谱线的探测。通过压强监控装置5可以控制密闭腔6内部的气体压强，使得太赫兹波和片状等离子体可以在不同的压强条件下相互作用，从而调节里德伯态原子\分子和太赫兹光子之间的碰撞频率。太赫兹波和片状等离子体相互作用后，继续向前传播，通过太赫兹窗片A4正对的太赫兹窗片B8后进入太赫兹波谱探测系统9。调节延时模块12，当太赫兹波时域重合或略滞后于片状等离子体的产生时刻时，太赫兹波会和片状等离子体产生相互作用，得到的太赫兹波谱相比于还无相互作用时的波谱会出现吸收峰。这是由于在气体环境下形成的片状等离子体中，气体原子电子\分子的电子可能会处于基态、电离态、里德伯态和其他激发态。处于里德伯态的电子远离原子实，和太赫兹波相互作用的过程中与太赫兹光子碰撞很容易脱离主原子\分子释放出去，进而变成离子和自由电子，同处于里德伯态的电子可以分布在不同能级，不同能级的电子与太赫兹光子碰撞时吸收的能量不同，所以从太赫兹波谱中的吸收峰可以推断出里德伯态原子\分子中电子所处的能级状态。要用太赫兹波来测出气体被电离后所形成的等离子体中电子所处的能级状态，所以气体是一直存在，太赫兹则要在等离子体产生后到达。但是等离子产生后其寿命是有一定时间的，所以要加一个延时，保证太赫兹到达的时间是在等离子体产生后但是湮灭之前。

所述太赫兹波发射系统3，可以选择利用非线性效应产生太赫兹波，如气体等离子体辐射太赫兹波；或利用光整流原理产生太赫兹波，如铌酸锂晶体辐射太赫兹波；或光电导天线产生太赫兹波，如用高纯度的砷化镓制备光电导天线辐射太赫兹波。

所述太赫兹波谱探测系统9，可以选择电光采样探测法，或者光电导天线探测法，或者THz air-breakdown-coherent-detection（简称ABCD）探测法。

如图2所示通过激光束通过柱透镜A和柱透镜B后的光斑形状示意图，所述柱透镜A14和柱透镜B15，柱透镜A14竖直方向聚焦，焦距长，柱透镜B15水平方向聚焦，焦距短，且柱透镜A14和柱透镜B15共焦。这样可以在垂直于光入射方向的平面内形成比较强的片状等离子体（片状表面与太赫兹波入射方向垂直），从而增加赫兹波与等离子体相互作用的面积。

所述气体可以是任意一种高纯气体，例如氮气。

如图3所示以高纯氮气为例，基态、里德伯态和电离态之间的转化示意图，下面以中心波长为800 nm的飞秒激光利用空气等离子体辐射出太赫兹波与片状等离子体在高纯氮气环境下相互作用，并利用电光采样原理探测太赫兹波为例，其他波段、其他太赫兹波辐射方法以及其他高纯气体与该实施方法一致。

如图4所示实施例图，激光器输出光中心波长为800 nm，光谱范围780-820 nm，脉冲宽度为30 fs，重复频率1 KHz，具体实现检测氮气里德伯态精细谱线的调节过程如下：从激光光源1输出的超短脉冲激光经单色分束片2（T：R=1：2），分束片2的透射光再通过分束片9（1）（T：R=9：1）后进入太赫兹波发射系统3，依次通过太赫兹波发射系统3中的聚焦透镜3（1）和倍频晶体BBO3（2）形成空气等离子体，辐射出的锥形太赫兹波再通过两个特氟龙透镜3（3）和3（4）后变成汇聚的太赫兹波通过密闭腔6上的太赫兹窗片A4进入密闭腔6，太赫兹波焦点在密闭腔6内部，分束片2的反射激光经反射镜A10和反射镜B11后，通过延时模块12，再经反射镜C13后通过柱透镜A14和柱透镜B15，最后经反射镜D16反射并通过密闭腔6上的激光增透窗片17进入密闭腔6，在太赫兹波焦平面处聚焦。由真空泵7将密闭腔6抽成真空状态后，再通过气体管18注入高纯氮气（纯度99.999%），氮气分子被聚焦的超短脉冲激光电离形成片状等离子体，其片状表面与太赫兹波入射方向垂直。太赫兹波和片状等离子体在密闭腔6内相互作用。光垃圾桶19用于收集聚焦后发散的超短脉冲激光，避免这些光在后续光路中漫反射二影响谱线的探测。通过压强监控装置5可以控制密闭腔6内部的气体压强，设定某一压强值，如10⁵  Pa。太赫兹波和片状等离子体相互作用后，继续向前传播，通过太赫兹窗片A4正对的太赫兹窗片B8后进入太赫兹波谱探测系统9。分束片9（1）的反射激光作为太赫兹波谱探测系统9的探测光，依次经过反射镜9（2）、反射镜9（3）、延时模块9（4）以及反射镜9（5）和反射镜9（6），最后通过高阻硅片9（7）反射与太赫兹窗片B8输出的透过高阻硅片9（7）的太赫兹波重合一起进入电光晶体ZnTe9（8）、凸透镜9（9）、四分之一波片9（10）、渥拉斯顿棱镜9（11）和硅探头A9（12）以及硅探头B9（12）进行电光采样探测，9（1）到9（4）此路是用于检测太赫兹信号，与有片状等离子体时的太赫兹波形进行比对，可分析得到电子所处的能级状态。调节延时模块12，当太赫兹波时域上重合或略滞后于等离子体产生时刻时，会和片状等离子体产生相互作用，得到的太赫兹波谱相比于无相互作用时的波谱会出现吸收峰，所以从太赫兹波谱中的吸收峰可以推断出里德伯态原子\分子中电子所处的能级状态，由此实现通过太赫兹波检测气体原子\分子的里德伯态精细谱线的目的。