电离检测的铯原子滤光器

    引   言

    原子滤光器以其超窄线宽、高转换效率在光通信和光检测应用上得到广泛重视。目前有荧光型[1]、FADOF型[2]和电离检测型[3]三种原子滤光器,荧光型和FADOF型先后已被制成基本实用的器件,而电离检测型只停留在实验阶段。由于电离检测型原子滤光器具有更高的量子转换效率,较大的接收角,对入射信号光的方向和偏振等的要求不高,具有更重要的应用价值。

    1 工作原理

    本原子滤光器以铯原子蒸气为工作物质,分别采用三种方案,即光电离、直流场电离和脉冲场电离。(1)光电离(图1a):455nm(或459nm)激光照射铯原子,产生62S1/2-72P3/2(或72P1/2)跃迁,另一束532nm激光使72P态电离。(2)直流场电离(图1b虚线):置于电场强度为120V/cm(或2200V/cm)的电场中的铯原子吸收波长455nm(或459nm)光,发生62S1/2-72P3/2(或72P1/2)跃迁,然后经1.06Lm激光激发到高Stark态电离,产生电子或离子。(3)脉冲场电离(图1b实线):铯原子吸收波长455nm(或459nm)光,发生62S1/2-72P3/2(或72P1/2)跃迁,然后经1.06Lm激光激发到45S态,再由一脉冲电场电离。以上所产生的电子或离子由电子倍增器接收放大产生电信号。

    2 理论分析

    2.1 线宽

    在铯原子蒸气中,主要是Doppler增宽(Gaussian线型),Doppler半宽度$X1/2=$(ln2)1/2=7.16@10-7X0(T/A)1/2,对Cs,A=133,当T=353K时,455nm(或459nm)的Doppler半宽度$X1/2=0.2GHz。而其自然线宽$XNU16MHz。故总线宽为0.2GHz。

    2.2 响应时间

    响应时间是指信号响应分辨的半宽度,应小于72P态粒子的寿命113ns和激光脉宽30ns。在激光强较弱时,电离时间响应分辨半宽度应与激光脉宽相当,即S~30ns;激光较强时,电离时间响应分辨半宽度为电离时间常数S(S<30ns)。根据爱因斯坦系数关系:B=(c3/8PhM3)A;及光的激发速率:W=BQ(X)和式

    式中,W为激光功率密度,Q(X)为单位体积单位频率间隔的光子能量,M为激光频率,R为光激发截面,$M为线宽。对应455nm或459nm的光(每脉冲能量0.2LJ,脉宽14 ns,光束截面0.02cm2),由(1)式得光激发截面R6Sy7PU3@10-11cm2,相应的S6Sy7P<1ns;对应1.06Lm的光(每脉冲能量3mJ,脉宽30ns,光束截面0.02cm2),其电离截面RU10-16cm2,相应的S7Py电离U1ns;对应532nm的光(每脉冲能量1mJ,脉宽30ns,光束截面0.02cm2),S7Py电离U10ns,故总的响应时间SU1~10ns。

    2.3 原子内部转换效率

    内部转换效率定义为:G=Nout/Nin(Nin为进入滤光器中的信号光子数,Nout为出射电子或离子数)。在455nm或459nm光强吸收时(即每个信号光子产生一个72P态粒子),滤波器的内部转换效率取决于72P态粒子的电离效率GD,由速率方程得:

    式中,S为72P态的电离时间常数,由(2)式决定;A=3.54@106s-1为72Py62S1/2的爱因斯坦系数,Ac=5.31@106s-1[4]为其它导致72P粒子数减少的速率,Tp为532nm或1.06Lm激光脉宽。当S=1ns时,计算得GU99%,当S=10ns时,计算得GU79%。