[发明专利]通过太赫兹波检测气体里德伯态精细谱线的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子所处能级状态检测方法，特别涉及一种通过太赫兹波检测气体原子/分子的里德伯态精细谱线的方法。

背景技术

里德伯态是指基态的原子/分子吸收外部能量后电子被激发到高能级的一种激发态，其价电子离原子实很远，库仑作用较小，相比于普通原子具有半径大、寿命长、结合能小的特点，因而处于里德伯态的原子/分子很容易受到外加电磁场或其他原子分子的碰撞等影响而改变性能。高激发态的研究是原子物理的新课题，里德伯态原子/分子对于原子物理的基础研究和应用开发具有重要意义。

太赫兹波是指频率在0.1-10 THz范围（波长在0.03到3 mm范围）的电磁波（1 THz=10¹² Hz），在电磁波谱中位于微波与红外辐射之间。太赫兹波特殊的电磁波谱位置使得它具有许多独特的优点，例如光子能量低，在毫电子伏特量级，不会对生物组织产生有害的光致电离、很多物质在该波段都有很强的吸收和色散，可以用于鉴别不同物质等。

由于里德伯态原子/分子相邻两个能级之间的能量间隔随主量子数的增加而迅速减小，这使得检测里德伯态原子/分子需要有高分辨率的光谱技术。太赫兹波的能量正好落在这些能级差的范围内，刚好可以被吸收，所以能够用于探测气体原子/分子的里德伯态精细谱线。

发明内容

本发明是针对里德伯态原子/分子的电子所处能级状态难以检测的问题，提出了一种通过太赫兹波检测气体里德伯态精细谱线的方法，可以检测各种高纯度的气体中电子所处的能级状态。

本发明的技术方案为：一种通过太赫兹波检测气体里德伯态精细谱线的方法，包括激光光源，单色分束片，太赫兹波发射系统，输入太赫兹窗片，压强监控装置，密闭腔，真空泵, 输出太赫兹窗片，太赫兹波谱探测系统，第一反射镜，第二反射镜，延时模块，第三反射镜，第一柱透镜，第二柱透镜，第四反射镜，激光增透窗片，气体管，光垃圾桶；从激光光源输出的超短脉冲激光经单色分束片，一部分进入太赫兹波发射系统，辐射出的太赫兹波聚焦后通过密闭腔上的输入太赫兹窗片进入密闭腔，太赫兹波焦点在密闭腔内部，另一部分超短脉冲激光依次经过第一、第二反射镜后，通过延时模块，再经第三反射镜后通过第一柱透镜和第二柱透镜，最后经第四反射镜反射并通过密闭腔上的激光增透窗片进入密闭腔，在太赫兹波焦平面处聚焦；由真空泵将密闭腔抽成真空状态后，再通过气体管注入高纯度检测气体，检测气体被聚焦的超短脉冲激光电离形成片状等离子体，该片状表面与太赫兹波入射方向垂直；太赫兹波和片状等离子体在密闭腔内相互作用，光垃圾桶收集聚焦后发散的超短脉冲激光，压强监控装置控制密闭腔内部的气体压强，太赫兹波和片状等离子体相互作用后，继续向前通过输入太赫兹窗片正对的输出太赫兹窗片进入太赫兹波谱探测系统；调节延时模块，当太赫兹波时域重合或略滞后于片状等离子体的产生时刻时，太赫兹波会和片状等离子体产生相互作用，得到的太赫兹波谱相比于还无相互作用时的波谱会出现吸收峰，从太赫兹波谱中的吸收峰推断出检测气体里德伯态原子/分子中电子所处的能级状态。

所述单色分束片和太赫兹波发射系统中间增加第二分束片，单色分束片的透射光经过第二分束片进入太赫兹波发射系统；第二分束片分束片的反射激光作为太赫兹波谱探测系统的探测光，依次经过第一反射镜组、第二延时模块以及第二反射镜组，最后通过高阻硅片反射与输出太赫兹窗片输出的透过高阻硅片的太赫兹波重合一起进入太赫兹波谱探测系统。

所述太赫兹波发射系统，选择利用非线性效应产生太赫兹波；或者选择利用光整流原理产生太赫兹波；或者选择光电导天线产生太赫兹波。

所述太赫兹波谱探测系统选择电光采样探测法，或者光电导天线探测法，或者THz air-breakdown-coherent-detection探测法。

本发明的有益效果在于：本发明通过太赫兹波检测气体里德伯态精细谱线的方法，分辨率高，装置简单，容易操作，应用范围广。

附图说明

图1为本发明通过太赫兹波检测气体里德伯态精细谱线装置结构示意图；

图2为本发明实施例通过激光束通过柱透镜A和柱透镜B后的光斑形状示意图；

图3为本发明以高纯氮气为例，基态、里德伯态和电离态之间的转化示意图；

图4为本发明实施例示意图。

具体实施方式