第九章 分子束光谱

1、第九章第九章 分子束与光学双共振技术分子束与光学双共振技术 超声分子束超声分子束 超冷分子产生超冷分子产生 分子束中的非线性分子束中的非线性第第8.1节节 超声分子束超声分子束分子束用途：分子束用途：准直，消准直，消Doppler加宽；加宽；内态泵浦，简化光谱，提高数密度；内态泵浦，简化光谱，提高数密度；平动冷却，形成弱键平动冷却，形成弱键van der Waals分子；分子；探测区无碰撞环境。探测区无碰撞环境。原子腔体中的原子密度和气原子腔体中的原子密度和气压压p小小增加原子相互作用增加原子相互作用自由程，忽略碰撞效应自由程，忽略碰撞效应发散角发散角密度分布密度分布一，准直分子束：一，准直分

2、子束： 扩散束扩散束 (孔径孔径 A 平均自由程平均自由程 )消消Doppler加宽加宽发散角发散角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线型吸收线型热平衡气体吸收线性热平衡气体吸收线性共振吸收截面共振吸收截面Thermal gasCollimated molecular beam二、超声绝热膨胀冷却：二、超声绝热膨胀冷却：能量守恒，温度降低能量守恒，温度降低膨胀前后能量守恒膨胀前后能量守恒内能内能势能势能动能动能膨胀前热平衡膨胀前热平衡膨胀到真空腔膨胀到真空腔如果初始能量如果初始能量U0+P0V0全部转换化为动

3、能全部转换化为动能 ，则，则U=0T=0降低原子的内部能量降低原子的内部能量U, 也就是降低原子之间的也就是降低原子之间的相对相对运动速度，降运动速度，降低原子的温度低原子的温度如果原子速度大于局域声波速度如果原子速度大于局域声波速度 超声分子束超声分子束初级准直初级准直准直后形准直后形成分子束成分子束与原子飞行方向相同的与原子飞行方向相同的z方向的温度方向的温度T/在平行方向在平行方向准直前准直前准直后准直后垂直方向垂直方向探测平行和垂直方向的探测平行和垂直方向的Doppller谱型，确定两个方向密度分布谱型，确定两个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减少转动能和振

4、动能冷分子束可以用于减少转动能和振动能UvibUtranstranstranstransrotrotvibtransvib,UtransUtrans利用惰性气体可以达到利用惰性气体可以达到T/1KPure NO25% NO2 in Ar当两个原子当两个原子A结合形成分子结合形成分子A2时，分子束缚能会转换到第三者上而时，分子束缚能会转换到第三者上而产生加热效应，阻止平动能到达小值。但是惰性气体分子束缚能小，产生加热效应，阻止平动能到达小值。但是惰性气体分子束缚能小，可以用来减少加热效应可以用来减少加热效应8.2节节 产生超冷分子产生超冷分子平动态冷分子制备方法平动态冷分子制备方法1、冷原子、冷

5、原子 -(Feshbach) 平动冷平动冷振动热振动热的分子的分子 -(相干布居绝热转移相干布居绝热转移) 平动、振转基态分子平动、振转基态分子2、热分子、热分子 -(多级多级Stark减速减速) 冷分子冷分子磁场磁场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磁场扫描通过磁场

6、扫描通过FeshbachRF coupling三体复合三体复合（1）Molecule based on utracold atoms非弹性碰撞；非弹性碰撞；粒子数损失；粒子数损失；针对玻色体系；针对玻色体系；不可控。不可控。Feshbach moleculecreationCoherent Ramanstate transfer to ground vibrational state+1，磁场扫描通过，磁场扫描通过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）热分子）热分子 -(多级多级Stark减速减速) 冷分子冷分子囚禁囚禁取自叶军报告取自叶军报告具有电耦极矩的分子在电场中拥有电场势具有电耦极矩的分子在电场中拥有电场势（Stark势），根据能量守恒，动能减少，温度势），根据能量守恒，动能减少，温度降低。当多次经过脉冲电场，分子温度降低。降低。当多次经过脉冲电场，分子温度降低。Nature, 406, 491, 2000

8、实验装置实验装置分子囚禁分子囚禁CO: d=1.37 debyeND3: d=1.5 debye; T=2mK准直准直多级减速多级减速囚禁囚禁loadingtrapping（3）热分子）热分子 -(buff gas碰撞碰撞) 冷分子冷分子囚禁囚禁CaH + He碰撞减速碰撞减速磁场囚禁磁场囚禁BUBCaO1mKT50400CaH2 CaH囚禁磁场囚禁磁场Nature, 395, 148, 1998第第8.3节节 分子束中的非线性光谱分子束中的非线性光谱分子束饱和吸收谱分子束饱和吸收谱方案方案1：M1反射形成饱和吸收反射形成饱和吸收 分子束发散，还会带来分子束发散，还会带来Doppler加宽加宽

9、方案方案2：M2和和M3代替代替M1形成饱和吸收形成饱和吸收利用利用f1f1，f2f2进行调制进行调制消除剩余消除剩余Doppler Doppler 加宽；加宽；防止只用防止只用M1M1，反射光进入激光器。，反射光进入激光器。只用只用M1利用利用M2,M3消除消除剩余剩余DopplerMHz15快速离子束激光光谱快速离子束激光光谱(FIBLAS)两离子经过电场加速两离子经过电场加速电场电场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，增加平动速度，但是相对速度减加速后增加能量，增加平动速度，但是相对速度减少，速度差异主要由加速电场决定，如果电场少，速度差异主要由加速电场决定，如果电场

10、稳定，则速度差稳定。稳定，则速度差稳定。 加速冷却加速冷却同向离子束光谱探测：同向离子束光谱探测：1，相互作用时间长，相互作用时间长线宽压窄线宽压窄高灵敏度高灵敏度 对于相互作用长度对于相互作用长度L=10cm，渡越加宽，渡越加宽 垂直探测，光的直径垂直探测，光的直径1mm，渡越加宽，渡越加宽2，固定激光频率，调节加速电场，固定激光频率，调节加速电场U，或者，或者U1和和U2，获得光谱。，获得光谱。分子束时间飞行质谱分子束时间飞行质谱(TOF)选择特定能态和质量的离子碎片选择特定能态和质量的离子碎片形成离子形成离子M+12将离子将离子M+激发到需要的电子激发态激发到需要的电子激发态3获得离子碎片获得离子碎片F+。由于电场一样，所受的力一样，不同的质量，加速度不一样，到达。由于电场一样，所受的力一样，不同的质量，加速度不一样，