冷原子成像谱仪中靶表征及光电离研究

封面文章|马祎璇,李任远,袁俊阳,孟秋香,马欢玉,阮舒舒,张逸竹,阎天民,沈镇捷,王新成,江玉海. 冷原子成像谱仪中靶表征及光电离研究[J]. 中国激光, 2020, 47(6): 0601011

冷原子具有量子效应显著且可精准控制的特点，是研究多体量子理论和光与物质相互作用的理想体系。强激光场是探索特殊环境中奇异量子现象以及对量子规律调控的重要手段。反应显微谱仪是原子分子领域先进的全空间多粒子符合探测技术，具有对粒子动量分布精密成像的能力。

融合冷、快、强领域的前沿技术，利用动量成像技术，可开展铷冷原子的强场物理过程研究。近年来，采用类似的技术路线，国际上已经在离子碰撞、多光子相干激发电离、冷分子形成演化、里德堡原子间相互作用、多体相互作用、冷化学反应，Beta衰变等领域开展一系列研究。

中国科学院上海高等研究院江玉海研究员课题组把激光冷却技术和反应显微谱仪技术结合，成功研制了国内首套铷原子磁光阱反冲离子动量谱仪（Magneto-optical Trap Recoil Ion Momentum Spectroscopy, MOTRIMS），如图1所示。该装置包含一套针对Rb原子的MOT系统，将Rb (85Rb)原子在二维磁光阱（2D MOT）中预冷，并推送到反应腔，通过反亥姆霍兹线圈和六束冷却光的共同作用形成最终的三维磁光阱（3D MOT）。

图1 铷原子磁光阱反冲离子动量谱仪

利用中心波长为800 nm，重复频率为1 kHz，单脉冲能量为4 mJ的飞秒激光与不同Rb原子靶电离结果对比如图2所示。从图中可看出，通过冷却后Rb原子可实现更加精密的测量。两种测量半高宽的结果对比显示，冷却后飞行时间质谱的测量精密至少提高了14倍。与相近质量的气体靶相比，测量精密提高了大约3倍。

图2 热蒸气靶和3D MOT靶的动量谱。虚线（红色）为热蒸气靶的Rb+的动量分布，右侧纵坐标轴为热蒸气靶的计数；实线（蓝色）表示3D MOT靶Rb+的TOF谱和动量分布，左侧纵坐标轴表示3D MOT靶的计数，上方横坐标轴标示了3D MOT靶的飞行时间

结果显示，结合超冷、超快和超强激光的MOTRIMS技术，通过探测冷原子电子和离子动量分布，可获取激光与金属原子相互作用的微观量子信息，进而精密研究不同强度、不同脉宽、不同波长的激光与Rb原子的相互作用。

Rb+离子的二维动量分布图，以及在x、z方向上的动量分布投影图，如图3所示。在线偏光极化方向上动量分布pz = ± 0.18 a.u.处存在一个“双峰”结构（图中两条垂直虚线），这是典型的光电离偶极跃迁动量分布图。此外，在pz = ± 0.39 a.u.处也存在一个微弱结构（图中两条垂直点划线），这是典型的阈上电离特征，关于这些特征峰和激光强度等参数的依赖关系研究将在后续工作中展开。

图3 molasses靶与强场相互作用后的Rb+动量分布。（a）x、z方向的动量分布；（b）线性坐标下z方向的动量分布；（c）log坐标下z方向的动量分布

在接下来的研究中，课题组将在MOTRIMS中加入电子测量，实现铷冷原子的电子与电子、电子与离子和离子与离子之间的高精密动量分布成像，结合光子吸收成像与荧光光谱探测以及泵浦/探测技术，形成具有时间和空间分辨的、电子离子光子多反应产物探测的、多维度的探测技术实验平台，重点研究重金属冷原子（Rb）的强场物理过程、冷里德堡原子及原子间相互作用以及冷等离子体的形成与演化等。