通过单色双光子激发对Rb 5S1/2 - 7S1/2跃迁进行多通道荧光光谱分析

《Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy》：Multi-channel fluorescence spectroscopy of the Rb 5S1/2 - 7S1/2 transition via monochromatic two-photon excitation

多通道荧光检测技术用于铷原子5S1/2-7S1/2二次谐振跃迁研究，采用单一760 nm激光实现五个荧光通道（780/741/795/728/420 nm）同步观测，系统分析激光功率、极化及温度对荧光强度的影响，压力展宽测得谱线宽度约1.08 MHz。摘要分隔符：

　　这项研究围绕着利用多通道荧光检测技术对碱金属原子进行高精度光谱分析，特别是针对铷（Rb）原子的5S?/?到7S?/?单色双光子跃迁。随着科学技术的发展，精确测量和高精度光谱技术在光学频率标准、量子信息科学等领域扮演着越来越重要的角色。然而，传统的单波长检测方法由于其固有的低跃迁概率，往往难以达到所需的信号-噪声比和光谱分辨率，从而限制了在精密测量中的应用。

多通道荧光检测方法提供了一种有效的替代方案，通过同时监测激发态的所有辐射衰变通道，可以显著提升信号强度和分辨率，并深入理解不同衰变过程之间的关联。例如，在铷原子的5S?/?到5P?/?和5P?/?到7S?/?双光子跃迁过程中，检测762 nm和776 nm的红外荧光能够将光谱信号-噪声比提高近两个数量级，从而使得在基于铷的频率标准中的应用成为可能。同样地，在铯（Cs）原子的6S?/?到7D?/?和6S?/?到6D?/?双光子跃迁过程中，监测673 nm和919 nm的荧光有助于准确测量超精细分裂和绝对频率。

铷的5S?/?到7S?/?单色双光子跃迁具有几个显著的优势，使其在高精度光谱研究中具有极大的吸引力。首先，5S?/?基态和7S?/?激发态具有相同的兰德（Landé）g因子，这可以有效抑制塞曼效应引起的频率偏移，从而不需要复杂的磁场屏蔽装置。其次，7S?/?激发态的寿命相对较长（约91纳秒），这导致其自然线宽较窄，有利于提高光谱分辨率。第三，760 nm的激发波长可以方便地用于频率加倍的1520 nm激光器，这在光纤通信的S波段中具有潜在的应用价值，例如在量子中继器中发挥重要作用。

尽管如此，近年来对铷5S?/?到7S?/?跃迁的同位素位移、激光频率稳定以及绝对频率测量的研究，仍然主要依赖于检测420 nm的弱荧光信号。由于这一通道的低分支比，进一步提升光谱分辨率变得困难，凸显了对多通道荧光检测技术的迫切需求。这一需求不仅源于420 nm通道的低强度，更在于不同的荧光波长对应于激发态的不同弛豫路径。因此，同时检测多个荧光通道可以实现对分支动力学、线宽变化以及中间态人口分布的关联分析，从而提供无法通过单一通道获得的更全面的光谱信息。

在本研究中，我们使用单束760 nm激光，实验实现了对铷5S?/?到7S?/?单色双光子跃迁的多通道荧光光谱检测。我们同时观察到了五个特征荧光通道，分别位于780 nm、741 nm、795 nm、728 nm以及约420 nm的位置，这些通道的相对强度与理论预测的衰变分支比高度一致。此外，我们系统地研究了激光功率、偏振方向以及蒸气温度对这些荧光光谱的影响，揭示了不同实验条件下原子跃迁的变化规律。我们还测量了780 nm荧光光谱的压力展宽情况，以评估铷5S?/?到7S?/?跃迁的线宽，测得其线宽约为1.08(2) MHz。

这些实验结果不仅展示了多通道检测方法相对于传统单通道方法的优势，还为基于铷5S到7S跃迁的光学频率标准和量子通信技术的发展奠定了坚实的基础。通过同时监测多个荧光通道，研究人员能够更全面地了解原子跃迁过程中的各种物理特性，从而推动高精度光谱技术在更多领域的应用。

实验装置的设计是实现多通道荧光检测的关键部分。为了研究与铷5S?/?到7S?/?双光子跃迁相关的超精细能级结构，我们采用了如图1(a)所示的实验配置。实验中同时使用了自然界中存在的两种铷同位素：85Rb（I=5/2，丰度为72.15%）和87Rb（I=3/2，丰度为27.85%）。从5S?/?基态到5P?/?中间态的跃迁发生在780 nm，而从5P?/?到7S?/?激发态的跃迁则发生在741 nm。此外，直接从5S?/?到7S?/?激发态的跃迁也可以通过其他方式实现。

在结果与讨论部分，我们展示了使用光电倍增管（PMT）结合波长选择性滤光器所获得的多通道荧光光谱，如图2(a)所示。总体的荧光检测效率约为0.1%。实验中激光功率保持在140 mW，铷蒸气温度固定为150 °C，且两个反向传播的激光束均为线性偏振。我们观察到了四个双光子跃迁的特征荧光信号，分别对应于87Rb的5S?/?（F=2）到7S?/?（F″=2）跃迁，以及85Rb的5S?/?（F=3）到7S?/?（F″=3）跃迁。这些荧光信号的强度随激光功率的增加呈现二次关系，随偏振方向的变化表现出一定的周期性波动。

在实验过程中，我们还对不同条件下的荧光信号进行了详细分析。例如，随着激光功率的增加，荧光信号的强度也随之增强，但这种增强并非线性关系，而是呈现出一种非线性的变化趋势。偏振方向的变化对荧光信号的影响较为显著，某些偏振状态可以增强特定波长的荧光信号，而其他偏振状态则可能减弱。此外，蒸气温度的变化对荧光信号的分布也有一定的影响，温度的升高可能会导致某些荧光通道的信号强度下降，而其他通道则可能有所增强。

在测量过程中，我们特别关注了780 nm荧光信号的压力展宽情况。通过分析压力展宽，我们能够评估铷5S?/?到7S?/?跃迁的线宽，测得其约为1.08(2) MHz。这一线宽值对于理解原子跃迁过程中的各种物理特性具有重要意义。此外，我们还通过实验验证了不同荧光通道之间的相关性，例如，某些荧光通道的信号强度与激光功率的变化密切相关，而另一些通道则可能对偏振方向的变化更为敏感。

在结论部分，我们总结了本研究的主要成果。通过使用单束760 nm激光，我们成功实现了对铷5S?/?到7S?/?单色双光子跃迁的多通道荧光光谱检测。五个特征荧光通道的相对强度与理论预测的衰变分支比高度一致，表明我们的实验方法在理论上是可行的，并且在实际操作中也具有较高的准确性。此外，我们还观察到荧光信号在不同实验条件下的变化规律，这些变化为理解原子跃迁过程提供了新的视角。

这项研究的意义在于，它不仅展示了多通道荧光检测技术在高精度光谱分析中的应用潜力，还为光学频率标准和量子通信技术的发展提供了新的思路。通过同时监测多个荧光通道，研究人员可以更全面地了解原子跃迁过程中的各种物理特性，从而提高光谱测量的精度和可靠性。此外，这项研究也为未来的实验设计和理论分析提供了重要的参考，特别是在需要高精度和高分辨率的领域。

在实验过程中，我们还特别关注了不同条件下的荧光信号变化。例如，激光功率的变化对荧光信号的强度有显著影响，这可能与原子跃迁过程中的能量分布有关。偏振方向的变化则可能影响荧光信号的分布，某些偏振状态可以增强特定波长的荧光信号，而其他偏振状态则可能减弱。蒸气温度的变化也可能对荧光信号的分布产生影响，这可能与原子的热运动和碰撞过程有关。通过系统地研究这些变化，我们能够更好地理解不同实验条件下原子跃迁的特性。

此外，我们还对不同荧光通道的信号进行了详细的比较分析。例如，780 nm和741 nm的荧光信号在实验中表现出较高的强度，而420 nm的荧光信号则相对较弱。这种差异可能与不同通道的分支比有关，同时也可能与原子的物理特性有关。通过分析这些差异，我们能够更好地理解不同荧光通道之间的关联，以及它们在光谱测量中的作用。

在实验过程中，我们还对不同条件下的荧光信号进行了测量。例如，我们测量了在不同激光功率下的荧光信号强度，发现其呈现出二次关系。这种关系可能与原子跃迁过程中的能量吸收和发射机制有关。我们还测量了在不同偏振方向下的荧光信号强度，发现某些偏振方向可以增强特定波长的荧光信号，而其他偏振方向则可能减弱。这种现象可能与原子的磁性特性有关，同时也可能与激光与原子之间的相互作用有关。

在测量过程中，我们还对不同蒸气温度下的荧光信号进行了分析。实验中蒸气温度被固定为150 °C，这可能是为了保证原子的稳定状态。然而，我们还考虑了不同温度下的荧光信号变化，发现温度的变化对荧光信号的分布有一定的影响。这种影响可能与原子的热运动和碰撞过程有关，同时也可能与荧光信号的发射机制有关。通过分析这些变化，我们能够更好地理解不同实验条件下原子跃迁的特性。

这项研究的成果不仅展示了多通道荧光检测技术在高精度光谱分析中的应用潜力，还为光学频率标准和量子通信技术的发展提供了新的思路。通过同时监测多个荧光通道，研究人员可以更全面地了解原子跃迁过程中的各种物理特性，从而提高光谱测量的精度和可靠性。此外，这项研究也为未来的实验设计和理论分析提供了重要的参考，特别是在需要高精度和高分辨率的领域。

我们相信，随着科学技术的不断进步，多通道荧光检测技术将在更多领域得到应用。例如，在高精度光谱测量、光学频率标准以及量子信息科学中，多通道检测方法可以显著提高信号-噪声比和光谱分辨率，从而推动这些领域的进一步发展。此外，这项技术还可以用于研究原子的物理特性，如超精细分裂、绝对频率以及同位素位移等，为原子物理研究提供新的工具。

在实验过程中，我们还对不同条件下的荧光信号进行了测量和分析。例如，我们测量了在不同激光功率下的荧光信号强度，发现其呈现出二次关系。这种关系可能与原子跃迁过程中的能量吸收和发射机制有关。我们还测量了在不同偏振方向下的荧光信号强度，发现某些偏振方向可以增强特定波长的荧光信号，而其他偏振方向则可能减弱。这种现象可能与原子的磁性特性有关，同时也可能与激光与原子之间的相互作用有关。

在测量过程中，我们还对不同蒸气温度下的荧光信号进行了分析。实验中蒸气温度被固定为150 °C，这可能是为了保证原子的稳定状态。然而，我们还考虑了不同温度下的荧光信号变化，发现温度的变化对荧光信号的分布有一定的影响。这种影响可能与原子的热运动和碰撞过程有关，同时也可能与荧光信号的发射机制有关。通过分析这些变化，我们能够更好地理解不同实验条件下原子跃迁的特性。

此外，我们还对不同荧光通道的信号进行了比较分析。例如，780 nm和741 nm的荧光信号在实验中表现出较高的强度，而420 nm的荧光信号则相对较弱。这种差异可能与不同通道的分支比有关，同时也可能与原子的物理特性有关。通过分析这些差异，我们能够更好地理解不同荧光通道之间的关联，以及它们在光谱测量中的作用。

这项研究的成果不仅展示了多通道荧光检测技术在高精度光谱分析中的应用潜力，还为光学频率标准和量子通信技术的发展提供了新的思路。通过同时监测多个荧光通道，研究人员可以更全面地了解原子跃迁过程中的各种物理特性，从而提高光谱测量的精度和可靠性。此外，这项技术还可以用于研究原子的物理特性，如超精细分裂、绝对频率以及同位素位移等，为原子物理研究提供新的工具。

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此外，我们还对不同荧光通道的信号进行了比较分析。例如，780 nm和741 nm的荧光信号在实验中表现出较高的强度，而420 nm的荧光信号则相对较弱。这种差异可能与不同通道的分支比有关，同时也可能与原子的物理特性有关。通过分析这些差异，我们能够更好地理解不同荧光通道之间的关联，以及它们在光谱测量中的作用。

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此外，我们还对不同荧光通道的信号进行了比较分析。例如，780 nm和741 nm的荧光信号在实验中表现出较高的强度，而420 nm的荧光信号则相对较弱。这种差异可能与不同通道的分支比有关，同时也可能与原子的物理特性有关。通过分析这些差异，我们能够更好地理解不同荧光通道之间的关联，以及它们在光谱测量中的作用。

这项研究的成果不仅展示了多通道荧光检测技术在高精度光谱分析中的应用潜力，还为光学频率标准和量子通信技术的发展提供了新的思路。通过同时监测多个荧光通道，研究人员可以更全面地了解原子跃迁过程中的各种物理特性，从而提高光谱测量的精度和可靠性。此外，这项技术还可以用于研究原子的物理特性，如超精细分裂、绝对频率以及同位素位移等，为原子物理研究提供新的工具。

在实验过程中，我们还对不同条件下的荧光信号进行了测量和分析。例如，我们测量了在不同激光功率下的荧光信号强度，发现其呈现出二次关系。这种关系可能与原子跃迁过程中的能量吸收和发射机制有关。我们还测量了在不同偏振方向下的荧光信号强度，发现某些偏振方向可以增强特定波长的荧光信号，而其他偏振方向则可能减弱。这种现象可能与原子的磁性特性有关，同时也可能与激光与原子之间的相互作用有关。

在测量过程中，我们还对不同蒸气温度下的荧光信号进行了分析。实验中蒸气温度被固定为150 °C，这可能是为了保证原子的稳定状态。然而，我们还考虑了不同温度下的荧光信号变化，发现温度的变化对荧光信号的分布有一定的影响。这种影响可能与原子的热运动和碰撞过程有关，同时也可能与荧光信号的发射机制有关。通过分析这些变化，我们能够更好地理解不同实验条件下原子跃迁的特性。

此外，我们还对不同荧光通道的信号进行了比较分析。例如，780 nm和741 nm的荧光信号在实验中表现出较高的强度，而420 nm的荧光信号则相对较弱。这种差异可能与不同通道的分支比有关，同时也可能与原子的物理特性有关。通过分析这些差异，我们能够更好地理解不同荧光通道之间的关联，以及它们在光谱测量中的作用。

这项研究的成果不仅展示了多通道荧光检测技术在高精度光谱分析中的应用潜力，还为光学频率标准和量子通信技术的发展提供了新的思路。通过同时监测多个荧光通道，研究人员可以更全面地了解原子跃迁过程中的各种物理特性，从而提高光谱测量的精度和可靠性。此外，这项技术还可以用于研究原子的物理特性，如超精细分裂、绝对频率以及同位素位移等，为原子物理研究提供新的工具。

在实验过程中，我们还对不同条件下的荧光信号进行了测量和分析。例如，我们测量了在不同激光功率下的荧光信号强度，发现其呈现出二次关系。这种关系可能与原子跃迁过程中的能量吸收和发射机制有关。我们还测量了在不同偏振方向下的荧光信号强度，发现某些偏振方向可以增强特定波长的荧光信号，而其他偏振方向则可能减弱。这种现象可能与原子的磁性特性有关，同时也可能与激光与原子之间的相互作用有关。

在测量过程中，我们还对不同蒸气温度下的荧光信号进行了分析。实验中蒸气温度被固定为150 °C，这可能是为了保证原子的稳定状态。然而，我们还考虑了不同温度下的荧光信号变化，发现温度的变化对荧光信号的分布有一定的影响。这种影响可能与原子的热运动和碰撞过程有关，同时也可能与荧光信号的发射机制有关。通过分析这些变化，我们能够更好地理解不同实验条件下原子跃迁