Разрешение магнитной сверхтонкой структуры изотопов ртути с помощью спектрометра HyperFine

ИЮЛ232021

Новая серия спектрометров высокого разрешения от LightMachinery – спектрометры HyperFine – является первыми спектрометрами, построенными на основе фазированной решетки с виртуальным отображением (VIPA) ^[1]. Чтобы проверить возможности спектрометра HyperFine, мы решили измерить сверхтонкую магнитную структуру изотопов Hg в ртути. Обоснование нашего выбора было следующим: 1) ртутные лампы являются обычным источником калибровки в большинстве оптических лабораторий, что позволяет легко проверить эксперимент; 2) традиционные решетчатые спектрометры, способные разрешать сверхтонкие линии изотопов Hg, обычно имеют большие размеры (> 1 м в длину) и дорогие; 3) измеренные спектры сверхтонких структур ртутных ламп уже доступны в литературе.

Ртуть имеет шесть изотопов природного происхождения ^[2], два из которых демонстрируют сверхтонкое расщепление в своих атомных эмиссионных линиях ^{[3; 4]}. Только с помощью спектрометра с разрешением более 1 пикометра можно разрешить отдельные сверхтонкие пики этих атомных эмиссионных линий.

Эксперимент

Эксперимент состоял из двух частей. В первой части сверхтонкая магнитная структура линии 546.1 нм Hg источника была измерена с помощью спектрометра HyperFine. Затем эти измерения сравнивали с двумя проверенными источниками из литературы, чтобы подтвердить их точность на основе положения длины волны и относительной интенсивности. Эксперимент также подтвердил хорошую способность обнаружения, показав, насколько измерительные возможности спектрометра HyperFine соотносятся со сложными и дорогостоящими лабораторными спектроскопическими установками ^{[4, 5]}, использованными в эталонных экспериментах.

Во второй части измерение дублетной линий 577/579.1 нм было выполнено с помощью спектрометра HyperFine и двух спектрометров с обычной дифракционной решеткой, позиционируемых как высокоразрешающие (модели Oriel 260i и Ocean Optics HR 2000). Результаты измерений на спектрометрах сравнивались друг с другом с точки зрения их спектральной точности и способности разрешать отдельные сверхтонкие пики изотопов.

Спектрометр HyperFine компании LightMachinery был оборудован эталоном VIPA толщиной 1.68 мм, соединенным с дифракционной решеткой. Он получил типичное разрешение 1 пм на длине волны 530 нм при одновременном измерении в диапазоне длин волн 15 нм (диапазон можно увеличить до 100 нм с помощью вращения решетки). Излучение заводилось внутрь спектрометра через входной порт для многомодового оптоволокна.

Перед измерениями спектрометр HyperFine был откалиброван с использованием монохроматического лазера с точно известной длиной волны. Измерения, выполненные с помощью монохроматического лазера на длине волны 532 нм, дали значение в 1.0 пм по уровню FWHM (рис. 1) и точность VIPA ≈ 55.

Рис. 1. Вторая гармоника иттербиевого волоконного лазера с узкой спектральной шириной линии, демонстрирующая разрешающую способность спектрометра HyperFine. Ширина линии в 1 пм ограничена прибором.

В спектрометре от Oriel используется традиционная дифракционная решетка для достижения оптимального разрешения ≈0.2 нм. Входная коллимирующая оптика F/3.9 (фокусное расстояние 220 мм) направляет излучение от источника света на решетку 50 × 50 мм (1200 штр/мм). Регулируемая входная щель позволяет точно настраивать разрешение до минимума примерно 0.2 нм. Спектрометр от Ocean Optics считается ультрасовременным спектрометром с фиксированной решеткой и субнанометровым разрешением.

Источником изотопов Hg служила спектральная калибровочная лампа от Ocean Optics [5]. Изображение лампы отображалось непосредственно на входной щели спектрометра Oriel, в то время как спектрометр HyperFine и Ocean Optics HR2000 поставлялись с оптоволоконным кабелем диаметром 125 мкм.

Результаты

При наложении на результаты измерений сверхтонкой структуры ртути, извлеченных из измерений без доплеровского насыщенного поглощения и частотно-модулированной спектроскопии в ртутных ячейках сверхнизкого давления, измерения спектрометра HyperFine показывают отличное согласование как по относительной интенсивности, так и по положению пиков по длинам волн (рис. 2). Кроме того, сателлитные пики изотопов Hg четко разрешены и точно совпадают с измерениями из литературы.

Важно отметить, что калибровка длины волны проводилась независимо и не корректировалась для соответствия сверхтонкой структуре. Мы также должны подчеркнуть, что наблюдаемая ширина центральной линии в 5 пм не ограничена приборами; это истинная ширина линии ртутной лампы (такая ширина линии обусловлена доплеровским уширением в лампе).

Рис. 2. Сверхтонкая структура линии ртути 546.1 нм. Спектральная ширина наблюдаемых структур ограничена давлением в ртутной лампе. Темно-синие линии под измеренным спектром отображают известную сверхтонкую магнитную структуру ртути [4, 6]. Следует также отметить, что известная сверхтонкая структура, отображаемая под спектром HyperFine, не является экспериментальной кривой – это набор извлеченных строк.

Дублетная линия ртути 577/579.1 нм была измерена с помощью спектрометра Oriel с несколькими различными размерами щелей. Из результатов спектров (рис. 3) видно, что заявленное разрешение 0.2 нм было достигнуто после того, как входная щель была настроена на оптимальную ширину. И хотя разрешения в 0.2 нм достаточно для разрешения дублета 577/579.1 нм, максимальное разрешение спектрометра намного меньше разрешения, необходимого для различения индивидуальных сверхтонких структур изотопов Hg.

Рис. 3. Сравнение дублета ртути 577/579 нм, измеренного с помощью спектрометра HyperFine и двух спектрометров со стандартной дифракционной решеткой, отнесенных к категории высокого разрешения. Настройки щели и решетки спектрометра высокого разрешения №1 (Oriel, 260i) были отрегулированы для обеспечения оптимального разрешения, указанного для этой модели, а именно ≈ 0.2 нм (здесь мы получили 0.15 нм). Настройки спектрометра высокого разрешения №2 (Ocean Optics, HR2000) были зафиксированы производителем, и его разрешение составило ≈ 0.7 нм.

Несмотря на естественную спектральную ширину линии ртутной лампы, которая примерно в 5 раз превышает разрешение спектрометра HyperFine, разница между измерениями спектрометров разительна. Спектрометр HyperFine смог получить гораздо более узкие линии, причем разница в разрешении стала наиболее очевидной на увеличенном изображении линии 579 нм (вставка на рис. 3). Спектрометр HyperFine был единственным инструментом, способным отображать подобные сверхтонкие структуры.

Заключение

Спектрометр HyperFine четко определил отдельные сверхтонкие структуры ртутной лампы на линии 546.1 нм и дублете 577/579 нм, подтверждая его способность получать разрешение в 1 пм с точностью более 2 пм.

Ссылки

1. Introduction to the operating principles of the HyperFine spectrometer. LightMachinery. 2017, Internal Document.
2. Sansonetti, Craig J., Marc L. Salit, and Joseph Reader. Wavelengths of spectral lines in mercury pencil lamps. Applied optics 35.1 (1996): 74-77
3. Ketterle, W. Atomic and Optical Physics, Course notes: http://cua.mit.edu/8.421_S06/Chapter4_5.pdf (obtained on July 25, 2017)
4. Sansonetti, Craig J., and Damir Veza. Doppler-free measurement of the 546 nm line of mercury. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 43.20 (2010): 205003
5. Ocean Optics. HG-1 Calibration Source. [Online] https://oceanoptics.com/
6. Rayman, M. D., C. G. Aminoff, and J. L. Hall. Precise laser frequency scanning using frequency-synthesized optical frequency sidebands: application to isotope shifts and hyperfine structure of mercury. JOSA B 6.4 (1989): 539-54

Подробные характеристики спектрометра HyperFine