量子波包干涉仪的实验技术研究

　　1　引　言

　　近年来,飞秒光谱技术的发展为研究瞬态量子波包干涉现象提供了强有力的研究手段[1,2]。飞秒激光由于脉宽较窄,频谱较宽,使得它可以同时激发原子、分子以及固体样品中的多个量子态,相干激发的各量子态间相互叠加形成波包(Wavepacket)。波包的时间演化过程包含了丰富的信息:如电子波包反映了电子叠加态的演化与退相过程[2],由此可以推断出其中电子-声子耦合与碰撞过程;振动态波包反映原子核的相干振动特性等等[3]。了解波包动力学过程对加深认识超短脉冲激光与物质的相互作用有重要意义。

　　在实验技术上,监测这种量子波包的时间演化过程通常使用基于飞秒“脉冲对”技术的“量子波包干涉仪”。在飞秒激光脉冲的驱动下,所有原子的初始运动同步,脉冲对中不同脉冲产生的波包相互干涉,从而影响上能级的粒子数布居。样品的荧光和光电流的变化反映了这些能级布居数的变化,通过探测荧光或光电流的信号随脉冲对延时的变化就可以记录整个波包动力学过程。这种实验技术要求高精度的干涉仪和实验条件,必须能精确锁定两脉冲之间的相位差,同时避免某些随机因素对记录相位差的影响。

　　使用本实验室建立的量子波包干涉仪装置,用监测光电流的方法对半导体材料GaAs中的波包动力学过程进行了深入研究[3,4]。在此基础上,利用监测荧光的方法对掺杂到不导电的固体材料中的稀土离子的波包动力学进行了广泛的研究[5]。这一技术发展使得可研究的物质体系大为增加,由单纯的半导体类推广到有荧光产生的体系,使得研究发强荧光的稀土离子体系的波包动力学过程成为可能。

　　文献[5]简要报道了这一技术的原理和应用。本文以稀土Eu3+离子的波包动力学实验为基础,对Eu3+离子在常温下的自由感应衰减(FID)过程和相位动力学进行了描述和分析,对实验过程中的主要技术问题和误差来源进行了分析和讨论,并提出了合适的处理方法。

　　2　实验装置和方法

　　双通道量子波包干涉仪实验装置采取图1所示的Michelson干涉仪的布局。激光光源为美国Spectra-Physics公司的掺钛蓝宝石飞秒激光系统,频率调谐范围为720870 nm,输出的飞秒脉冲在800nm处的脉宽约为50 fs,锁模输出平均功率约为800mW,经LBO倍频后的紫外激光平均功率约为80mW。

　　在信号测量部分中,通道A为一共线抽运-探测光束,通过一透镜聚焦到样品上,荧光由一组透镜收集后经滤色片再聚焦送入一单色仪,用光电倍增管检测特定发射波长的荧光。通过调节Michelson干涉仪的延时线,就可以控制脉冲对的相位差,进而影响相干叠加态波函数的振幅与相位,记录的实验结果反映了所测量跃迁能级的自由感应衰减过程。