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1、用于半导体激光频率标准的碘分子光谱的理论和实验研究 张克明 陈徐宗 王义遒 北京大学 电子学系， 北京 1 0 0 8 7 1 笠原刚秋元羲明 通产省工业技术研究院 计量研究所，茨城县，筑波市3 0 5 . ， 日本 前言 碘分子在光频标和稳频激光器的应用上都占有重要地位，在国际米定义咨询 委员会推荐的光频标的分子参考谱线中，很大一部分都是碘分子的超精细谱线 端 。然而碘分子谱线在实际应用中经常遇到两个问题:一是观察到了碘分子的超 精细谱线后如何散别其振转能带;二是如何预测在什么波段、什么振转跃迁可获 得强度较大又适合作频标的超精细谱线。本文将通过对碘分子振转跃迁的波长、 强度和超精细分裂的计
2、算来解决这两个问题。 稳频在碘分子的 6 3 3 n m波段的氦氖激光被广泛地用作可见光的波长标准， 但由于其功率很低而不能得到广泛应用。随着半导体激光器的迅速发展， 人们对 研制半导体激光器的频标越来越感兴趣。现在，6 3 3 n m 波段的商用半导体激光 器已经进入市场，这使得在 6 3 3 n m波段发展一种新的半导体激光频标成为可能。 与氦氖激光器相比，半导体激光器具有较宽的调谐范围和较高的输出功率。 R ( 1 2 7 ) 1 1 - 5 跃 迁的超 精细谱 线的a 分量 是国 际米 定义咨 询 委员 会推 荐的光 频 标参 考谱线之一，目前在碘稳频的 6 3 3 n m波段的氦氖激
3、光器上得到广泛使用。然而， R ( 1 2 7 ) 1 1 - 5 跃 迁 很弱，相 应谱 线的 信噪比 比 较小， 这 在采 用腔 外碘 吸收池 时 尤为 突出，因此，有必要采用碘分子的更强的超精细谱线来作为半导体激光器频率稳 定的参考谱线。 本文介绍了计算碘分子振转能级和跃迁强度的方法，利用这种方法预言了 碘分子在 6 3 0 - 6 4 0 n m 波段的强跃迁谱线波长和强度。并用半导体激光扫描波长 得到了理论预言的谱线。另外我们利用三次微分饱和吸收光谱的方法甄别了 相应 的振 转能级。 这些新谱线 有很大 的跃 迁强 度， 信 噪比 要比R ( 1 2 7 ) 1 1 - 5跃迁 高得
4、 多，适合作相应波段的光频标气 碘 分 子n 1 z B - X 振 转 跃 迁 波 长 和 跃 迁 强 度 的 计 算 及 实 验 观 察 在不 考 虑电 子自 旋 时， 碘分 子 2 7 1 2 的哈 密 顿量可 写为 一 兰 一 了v 2 m 一1 1- 丫v 2 m汀A.e Z e z 石 不 一 二 万 + I n ，一 I Z Z e z ，e 2 十 2 气土 少 R f r 解这方程， 可得碘分子 B - X 跃迁 v ， J 的单位制)为: v ( v , J ; v , J ) = E ( v , J ) 一 E ( v , J ) - v ， J ”的振转谱线对应波数 (
5、 取h e = 1 = ( E , 一 E ) + (G ( v ) ， 一 G (v ) ) + ( F ( v , J ) 一 F ( v , J ) ) ( 2 ) 0- 的 第一 项凡 一 E 丁 = 1 5 7 6 9 .0 5 1 8 c m 对应 于B态 的与X 态的电 子能 级能级 差 6 第 二 项 中 的 振 动 能 量 G (v ) 和 G (v ) 可 由 D u n h a m 级 数 计 算 : 6 第三 项中的 振动能量尺可以 展开 成K二 J ( J + 1 ) 的 幂级 数: 碘分子b 支 b 为 R 或P )振转跃迁b ( J ) v 一 ， 的吸收光谱强度
6、为: ， 。( 一 ，二 ，: 卜 fi S 6(J )N 。二 /。 ; + ， 、(，二 ，: ) rLJ w ,r v ,.j-dr l z (3 ) 其 中 Q 二 o ( 8 rr /3 h 2 ) R r ， a s , v b (v ,v ,J ) 为 跃 迁 的 波 数 ， 阶 二 叭 ，J 对为 F r a n k- C o n do 。 因 子 、F C F )e 利 用公式 ( 2 ) 和( 3 ) ， 我们 可以 算出6 3 0 - 6 4 0 n m波 段碘分子B - X跃迁 的波长、 频 率和强度，表一给出了 1 5 7 7 0 c m - - 1 5 7 7 5
7、c m， 波段跃迁的振转带及其波长、频率 和强度。我们利用 6 3 0 - 6 4 0 n m 波段的半导体激光器观察到了 我们预言的强谱线 以 及 对应的 强 超精细谱线 ， 图1 ( a ) 为 观察到的1 5 7 7 0 c m - 1 5 7 7 5 c m “ 的 一 段碘分子 光谱W ， 其中许多谱线是重合在一起的， 图 1 ( b ) 为计算的碘分子光谱， 图1 ( c ) 为计算 的 碘分子 光谱 谱线， 通过 计算可 将重 合在 一起 的谱 线分开 ， 结果 列于 表 1中。由 于 谱线具有一定的宽度，如果假定谱线具有洛伦兹线形，并用适当的线宽去拟合， 可得到非常接近实际光谱
8、图的计算光谱图 ( 图1 - l b ) o 1 0 4 1 5 7 7 0 1 5 7 7 21 5 7 7 4 :( b ) 15 波数 ( c m- , ) 波数 ( c m， ) 图 1 图2谱线9 , 1 0对应的超精细结构 20 9 进一步的甄别可用饱和吸收法得到其超精细结构。 图2 则为图I 中第9 和 1 0 峰的 展开。图2 中 ， 下面 为利 用吸 收谱 方法 得到 的振 转能 级吸收 谱， 上面 为利用饱 和吸收法得到的超精细谱。 表 I 1 5 7 7 0 c m - - I 5 7 7 5 c r r i 碘分子光谱的谱带甄别结果 编 ” 跃 迁 ”(cm -) 纂编
9、 ” 跃 迁 波 ” (cm )纂 I P ( 6 3 ) 6 - 3 2 R ( 1 3 2 ) 7 - 3 2 R ( 6 9 ) 6 - 3! 2 P ( 1 2 6 ) 7 - 3 3 R ( 1 3 6 ) 9 - 4 4 R ( 8 1 ) 8 . 4 5 P ( 7 5 ) 8 - 4 6 P ( 6 2 ) 6 - 3 7 R ( 6 8 ) 6 - 3 7 P ( 1 3 0 ) 9 - 4! 8 P ( 6 1 ) 6 - 3 9R( 8 0 )9 . 4 1 5 7 7 0 . 1 0 6 6 2 . 1 7 1 5 7 7 0 .3 1 8 5 1 . 3 9 1 5
10、7 7 0 .3 4 0 6 2 . 3 6 1 5 7 7 0 . 4 0 9 3 1 . 6 3 1 5 7 7 0 . 8 4 2 4 1 . 1 8 1 5 7 7 1 . 1 8 6 3 3 . 5 0 1 5 7 7 1 24 6 6 3 .4 2 1 5 7 7 1 . 2 9 7 3 2 . 1 5 1 5 7 7 1 . 5 2 8 8 2 . 3 5 1 5 7 7 1 .5 3 0 2 1 .4 1 1 5 7 7 2 .4 7 0 0 2 . 1 3 1 5 7 7 2 .6 2 9 8 3 .5 1 1 0 P ( 7 4 ) 8 - 4 1 5 7 7 2 . 6
11、8 7 9 3 .4 2 1 0 R ( 6 7 ) 6 - 3 1 5 7 7 2 .6 9 8 9 2 . 3 4 1 0 R ( 1 3 1 ) 7 - 3 1 5 7 7 2 .7 0 6 4 1 . 4 3 I I P ( 1 2 5 ) 7 - 3 1 5 7 7 2 . 7 9 2 4 1 .6 8 1 2 P ( 6 0 ) 6 - 3 1 5 7 7 3 . 6 2 4 6 2 . 1 1 1 3网 6 6 ) 6 - 3 1 5 7 7 3 . 8 5 0 9 2 .3 3 1 4 P ( 1 2 9 ) 9 - 4 1 5 7 7 4 . 0 5 0 2 1 .4 6 1
12、 4 R ( 7 9 ) 8 - 4 1 5 7 7 4 . 0 5 4 7 3 .5 3 1 5 P ( 7 3 ) 8 - 4 1 5 7 7 4 . 1 1 0 5 3 .4 2 1 6 R( 8 6 ) 1 0 - 5 1 5 7 7 4 .4 7 0 0 0 .5 7 1 7 P ( 5 9 ) 6 - 3 1 5 7 7 4 . 7 6 1 1 2 .0 8 1 8 R ( 6 5 ) 6 - 3 1 5 7 7 4 .9 8 4 7 2 31 结论 上述计算碘分子振转能级和跃迁强度的方法可用于预言碘分子在 6 3 0 - 6 4 0 n m 波段的强跃迁谱线波长和强度。这些新谱线
13、有很大的跃迁强度，信噪比要比 R ( 1 2 7 ) 工 1 - 5跃迁高得多，适合作相应波段的半导体激光频率标准参考谱线。另 外也可用这种方法对重叠谱线进行甄别。 作者的工作得到中国国家自然科学基金委和日本 I T I T项目的支持， 在此表 示感谢。 T . J . Q u in n , M i s e e n P r a t iq u e o f th e D e fi n i t i o n o f th e M e t r e ( 1 9 9 2 ) ，M e fl o g ia , 3 0 , ( 1 9 9 3 / 9 4 ) , 5 2 3 - 5 4 1 ， P . G i
14、ll , P r o p o s a l to th e 1 9 9 7 C C D M F ro m F a b r i z io B e r ti n e tt o , IM G C e t a l . ”， C C D M1 9 7 - 2 5 i X u z o n g C h e n , e t a l , F r e q u e n c y s t a b i li z e d tu n a b le d io d e l as e r a n d s t r o n g t r a n s i t i o n i o d i n e h y p e r i n e s p e c t r a a t 6 3 3 n m , S P I E , v o ) . 3 5 4 7 . ( 1 9 9 7 ) 0 2 7 7 - 7 8 6 X S . G e r s t e n k o rn a n d P .L u c , A t l a s d u s p e c t r e d 一 a b s o r p t i o n d e l a m o l e c u l e d i o d e , v o l I ., p a r t I I , p .9 21 0
