噪声免疫腔增强光外差分子饱和光谱线型的理论分析-论文.pdf

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1、第34卷，第8期光谱学与光谱分析Vo1．34，No．8，pp2180—21842014年8月SpectroscopyandSpectralAnalysisAugust，2014噪声免疫腔增强光外差分子饱和光谱线型的理论分析马维光，谭巍，赵刚，李志新，付小芳，董磊，张雷，尹王保，贾锁堂量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西大学激光光谱研究所，山西太原030006摘要噪声免疫腔增强光外差分子光谱(NICE-OHMS)作为世界上最灵敏的光谱技术可以被应用到痕量气体检测、频率标准、原子分子光谱以及超灵敏引力波测量等领域中，高精细度谐振腔吸收池的使用在增长激光与腔内物质相互作

2、用路径的同时，极大的提高了腔内激光功率，这就会饱和低气压下的气态样品吸收线从而获得亚多普勒光谱结构，因此NICE-OHMS技术不仅具有高灵敏、还具有超高分辨的优点。该研究基于光与二能级分子相互作用的密度矩阵理论对NICE-OHMS技术中包含亚多普勒的多普勒展宽光谱线型进行了理论推导，获得了光谱线型的表达式，同时以该表达式对光谱线型进行了数值模拟，其中调制频率、饱和参量、频率调制系数分别设置为384MHz，10和0．2。由模拟结果可见吸收光谱由两个边带的吸收信号构成，在包络上存在四个亚多普勒饱和结构；色散光谱由载频以及边带的色散三者决定，并在包络上存在五个亚多普勒饱和结

3、构，获得了与已有实验一致的结果。最后重点分析了不同探测相位、不同饱和参量下的NICE-OHMS光谱线型尤其是亚多普勒结构的变化，由于饱和参量按照调制系数分配给载频和边带，因此虽然载频饱和参量很大，但NICE-OHMS吸收光谱幅度变化不大，主要是由于该光谱信号只与边带饱和参量有关，可以看出NICE-OHMS多普勒展宽信号具有饱和效应免疫的特性，与已有实验结果也符合较好。为更进一步的实验研究提供了必要的理论基础。关键词NICE-OHMS；频率调制；光谱线型；密度矩阵理论中图分类号：0433．1；TN247文献标识码：ADOI：10．3964／j．issru1000-059

4、3(2014)08—2180—05性。引言对分子亚多普勒结构的探测是NICE-OHMS重要应用之一，也是美国JILA的叶军教授和华东师大的马龙生教授噪声免疫腔增强光外差分子光谱(NICE-OHMS)l】]作在原创该技术时的第一种工作模式L1]，以期用来建立更高的为一项超高灵敏的激光光谱技术被广泛的应用到痕量气体检频率标准，以1O精细度的FP腔获得了1O_1。的探测灵敏测领域，鉴于其技术原理还可称为腔增强频率调制光谱度，接近了散粒噪声水平；后来Ishibashi等应用NICE-(CEFMS)，该技术将腔增强吸收光谱(CEAS)和频率调制光OHMS研究了甲烷在1．66m处

5、的亚多普勒饱和吸收[3l；谱(FMS)两项技术完美的结合在一起，不仅可以增长激光气Gianfani等首次测量了氧气在763nIn附近的多普勒展宽体相互作用路径，同时其探测噪声被显著降低，成为了世界NICE-OHMS光谱I4；VanLeeuwen等探测了可见光范围的上最灵敏的激光光谱技术。通过将激光的调制频率设置氧气超弱吸收l5；Taubman等以中红外NICE-OHMS探测到与法布里玻罗(FP)腔吸收池自由光谱区FSR相等，使得了N20的吸收I7；Bood等测量了N0在792nm的第六泛频频率调制(FM)激光载频和边带可以无损耗、无相移的通过超弱跃迁Ⅲ8]；Schmi

6、dt和Aleksandra等应用窄线宽光纤激光FP腔吸收池。依据其测量原理，NICE-OHMS可以工作在多器和光纤电光调制器测量了多普勒展宽和亚多普勒NICE-种模式，由于检测基于FMS，该技术可以探测分子的吸收和OHMS光谱。。色散；由于腔内高的激光功率，可以使腔内气体分子吸收饱然而为了评估NICE-OHMS对气体的探测能力，需要了和，因此还可以使其工作在多普勒展宽模式和亚多普勒展宽解在不同实验条件下的相互作用过程以及呈现出的各种线模式下，前者具有较高的探测灵敏度，后者具有较高的选择型，尤其是对NICE-OHMS的全光谱线型进行理论分析更是收稿日期：2013-08—

7、08。修订日期：2013—12—05基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(2012CB921603)，国家自然科学基金项目(61127017，61178009，61108030，61275213，61205216)，山西省青年科学基金项目(2012021022—1)资助作者简介：马维光，1976年生，山西大学激光光谱研究所副教授e-mail：mwg@SXU．edu．cn第8期光谱学与光谱分析2181必不可少，到目前为止仅仅对多普勒展宽下的饱和NICE-)一C．C．]OHMS光谱线型进行过系统的分析，对包含亚多普勒结dz(2，￡)=一(。+y1z)p