光场中的原子分子及激光技术

　　本章将介绍原子多光子电离，主要讨论不同偏振态激光与铷原子相互作用，通过测量光电子角分布来研究多光子电离过程。研究发现使用椭圆偏振光可以完全确定双光子电离过程中，包括激发到连续态的各离化通道的相对离化截面以及s和d分波波函数的相对相位等原子动力学参数。我们首先从原子多光子电离的基本概念出发进而讨论使用线偏振光测量光电子角分布的传统方法。然后给出在任意偏振光作用下双光子电离的光电子角分布理论推导，并指出使用椭圆偏振光的优越性。接着介绍实验装置和实验细节，特别是如何用一种特制的光电子成像装置记录光电子角分布（即电子云）。最后，我们详细讨论左右旋椭圆偏振光的铷原子双光子电离以及用这一特制的成像装置测量光电子角分布的实验方法。通过比较由实验和理论上得到的电子云影像可以完整地确定这三个离化参数。实验所得到的相对离化截面以及分波相位差与理论数据极为符合。这一结果同时也直接验证了由量子亏损理论得到的相位关系式。
　　Inthischapter,wediscussmultiphotonionizationofatomsandthedeterminationofatomicparametersthroughthemeasurementofthephotoelectronangulardistribution（PAD）.Inparticular,usingellipticMly-polarizedlightforthesemeasurementsweareabletodeterminetheatomicparametersnecessarytounambiguouslydescribethetwo-photonionizationofatomicrubidium.Theseparametersincludetherelativecrosssectionsforvariousionizationchannelsaswellasthephasedifferencebetweensanddpartialwaves.Wewillbeginourdiscussionwiththebasicconceptofmultiphotonionizationoftheatom,andthenswitchovertothemeasurementofPADthroughtwo-photonionizationusinglinearly-polarizedlight.Afterward,wewillpresentatheoreticalderivationoftheangulardistributionwitharbitrarily-polarizedlightintermsofthesecrosssectionsandphases,demonstratetheadvantagesofusingelliptically-polarizedlightanddiscussdetailsoftheexperiment.Finally,wediscussaneffectivephotoelectronimagingtechnique,withwhichphotoelectronangulardistributions（i.e.electronclouds）arerecorded,aswellascompletemeasurementsoftwo-photonionizationinatomicrubidiumusingbothright-andleft-elliptically-polarizedlight.Theresultsshowthatwiththisapproachthethreeparameterscanbecompletelydetermined.Themeasuredphasedifferencesandrelativecrosssectionsforionizationintosanddchannelsareingoodagreementwiththeoreticaldata.Theagreementoftheseresultsisadirectexperimentalconfirmationoftherelationofquantumdefectphase.
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　　汪正民（Zheng-MinWang），美国普渡大学物理学哲学博士。主要在以下大学和研究机构学习、从事教学与研究工作：南京大学、中国科学技术大学、中国科学院安徽光学精密机械研究所、美国埃姆斯国家实验室（AmesLaboratory）、普渡大学（PurdueUniversity）、宾夕法尼亚大学（UniversityofPennsylvania）。

　　《光场中的原子分子及激光技术》系统论述了原子多光子电离的相关理论基础和研究方法，详细讨论了用光电子成像装置测量光电子角分布来研究原子光电离的特征，重点讲述了如何在实验上获得电子云影像并由此确定原子光离化参数以及研究奇偶宇称跃迁过程的量子干涉。《光场中的原子分子及激光技术》还以相当的篇幅介绍了原子激光光谱和分子红外多光子离解研究的某些专题，详细讨论了无多普勒展宽高分辨激光光谱学的基本原理与研究方法。光学与激光技术方面的内容包括激光测距、风洞流场全息干涉测量以及法布里-珀罗干涉仪（标准具）在光波长与光谱线宽测量、激光纵模选择等方面的原理及应用。末尾一章介绍在光学层析成像领域的新研究成果。并详细阐述了基于激光二维扫描系统和CCD照相机的非接触光学层析成像实验装置及其在光学漫射层析成像和光学荧光层析成像中的应用。
　　《光场中的原子分子及激光技术》读者范围包括从事原子分子物理、激光光学、光物理、光化学和光学层析成像研究的广大科技工作者，以及相关专业的大学教师、研究生与大学生。

序Preface
前言Introduction
第1章原子多光子电离MultiphotonIonizationofAtoms
1.1引言Introduction
1.2原子多光子电离与光电子角分布Multiphotonionizationofatomsandphotoelectronangulardistributions
1.2.1历史回顾Historicaloverview
1.2.2多光子电离的基本概念Basicconceptofmultiphotonionizationofatoms
1.2.3铷原子的光电离通道Ionizationchannelsofrubidium
1.2.4线偏振光双光子电离与光电子角分布的传统测量Two-photonionizationbylinearly-polarizedlightandtraditionalmeasurementofPAD
1.2.5原子参数对光电子角分布的影响Theinfluenceoftheatomicparametersontheangulardistributions
1.2.6任意偏振光双光子电离光电子角分布理论TheoryofPADintwo-photonionizationwitharbitrarily-polarizedlight
1.3光电子成像实验Photoelectronimagingexperiments
1.3.1光学系统Opticalsystem
1.3.2光电子成像系统Photoelectronimagingsystem
1.3.3真空系统与原子束的产生Thevacuumsystemandgenerationofatomicbeam
1.3.4地球磁场的影响及消除Theinfluenceoftheearth'smagneticfieldanditscancellation
1.4铷原子双光子电离的完全测量Completemeasurementsoftwo-photonionizationinatomicrubidium
1.4.1历史背景Historicalbackground
1.4.2数据采集及光电子角分布（电子云）影像的形成DataacquisitionandtheformationofPADimages
1.4.3原子光电离参数的确定Determinationofatomicparameters
1.5本章小结Conclusions
参考文献References
第2章双通道光电离及量子干涉测量QuantumInterferenceMeasurementsbetweenTwoPhoto-ionizationProcesses
2.1量子干涉的基本概念及历史回顾Basicconceptofquantuminterferenceandhistoricaloverview
2.2光电子角分布的相位控制Phasecontrolovertheangulardistributionofphotoelectrons
2.3实验方法Experiment
2.3.1双色激光场实验装置及调整Experimentalset-upandadjustmentoftwocolorlaserfield
2.3.2相位延迟盒Thephasedelaycell
2.3.3紫外与可见光相位差的测量MeasurementofthephasedifferencebetweentheUVandvisiblefields
2.3.4实验条件与实验程序Conditionsandprocedureofexperiments
2.3.5紫外与可见光束相干匹配条件TheinterferencematchingconditionsofUVandvisiblebeams
2.4量子干涉测量与奇偶宇称连续波相位差的测定Determinationofthephasedifferencebetweenevenandoddcontinuumwavefunctionsthroughquantuminterferencemeasurements
2.4.1铷原子在相互垂直偏振的双色激光场光电离过程中光电子角分布PADbyionizingtherubidiumatomswithperpendicularly-polarizedtwo-colorlaserfield
2.4.2单光子跃迁矩之比R1/2=R3/2的测定Determinationoftheratioofone-photontransitionmomentsR1/2=R3/2
2.4.3p波和d波相位差的测定Determinationofphasedifferencebetweenp-andd-continuumwaves
2.4.4铷原子在相互平行偏振的双色激光场光电离过程中光电子角分布PADbyionizingtherubidiumatomswithparallel-polarizedtwo-colorlaserfield
2.5本章小结Conclusions
参考文献References
第3章激光光谱学的几个专题SelectedTopicsonLaserSpectroscopy
3.1用于激光光谱研究的一种高温炉Ahightemperatureovenforlaserspectroscopy
3.1.1引言Introduction
3.1.2实验方法Experiment
3.1.3铥的超精细分裂研究StudyofhyperfinesplittingofTm
3.2高分辨激光光谱在监测汽相金属中的应用Applicationofhigh-resolutionlaserspectroscopytothemonitoringofvapor-phasemetals
3.2.1引言Introduction
3.2.2原子束装置Atomicbeamapparatus
3.2.3原子的荧光激发谱Fluorescenceexcitationspectraofatoms
3.2.4激光原子吸收光谱Laseratomicabsorptionspectroscopy
3.2.5钐、钆、铥、钇的饱和吸收光谱SaturationspectroscopyofSm,Tm,GdandY
3.3分子的红外多光子光热吸收测量Theoptothermalmeasurementofinfraredmultiphotonabsorptionofmolecules
3.3.1实验方法Experiment
3.3.2CF3CDCF2分子多光子吸收峰的分裂与红移SplittingandredshiftofabsorptionspectrumofCF3CDCF2
3.4紫外共振拉曼光谱UltravioletresonanceRamanspectroscopy
3.4.1基本概念及历史背景Basicconceptandhistoricalbackground
3.4.2在217～400nm区间连续可调紫外共振拉曼光谱仪AtunableUVresonanceRamanspectrometerfor217~400nmspectralregion
3.4.3几种溶液的共振拉曼谱Ramanspectraofdifferenttypeofsolutions
3.5无多普勒展宽高分辨激光光谱Doppler-freehighresolutionlaserspectroscopy
3.5.1光谱线的自然宽度Naturallinewidthofspectrallines
3.5.2光谱线的多普勒展宽Dopplerbroadeningofspectrallines
3.5.3饱和吸收光谱Saturationspectroscopy
3.5.4偏振光谱Polarizationspectroscopy
3.5.5双光子吸收光谱Two-photonabsorptionspectroscopy
参考文献References
第4章分子的红外多光子离解InfraredMultiphotonDissociationofMolecules
4.1电子激发态C2自由基ElectronicallyexcitedC2radicals
4.1.1电子激发态C2自由基的形成FormationofelectronicallyexcitedC2radicals
4.1.2C*2d3∏g态的形成机制MechanismofformationofC*2d3∏gstate
4.2多光子离解过程中分子内的V-V能量转移V-Venergytransferinmultiphotondissociationprocess
4.2.1氟里昂113分子内的V-V能量转移V-VenergytransferofFreon113molecules
4.2.2氟里昂123分子内的V-V能量转移V-VenergytransferofFreon123molecules
4.3激光化学合成CI4晶体ChemicalsynthesisofcrystalgrainCI4
4.4在强红外激光场中分子的非统计离解行为NonstatisticaldissociationbehaviorofmoleculesinintenseIRfield
4.4.1实验方法Experiment
4.4.2产物的质谱分析Massspectraofphotoproducts
4.5激光分离13C同位素Laserisotopeseparationof13C
4.5.1实验方法Experiment
4.5.213C同位素浓缩系数和产率Enrichmentfactorandyieldof13C
参考文献References
第5章光学与激光技术OpticsandLaserTechnology
5.1脉冲激光测距仪Pulsedlaserrangefinder
5.1.1脉冲激光测距原理Principleofpulsedlaserrangefinder
5.1.2激光无标尺地形仪Laserrangefindertheodolite
5.1.3光学系统Opticalsystem
5.1.4三光轴调整Adjustmentofopticalaxis
5.1.5测距精度分析Accuracyanalysisofdistancemeasurement
5.2脉冲激光全息术Pulsedlaserholography
5.2.1全息摄影的基本原理Basicprincipleofholography
5.2.2全息干涉计量术Holographicinterferometry
5.2.3风洞流场全息干涉测量Interferometryofflowfieldsinwindtunnel
5.2.4流场的有限条纹与无限条纹干涉图Finiteandinfiniteinterferogramoftheflowfield
5.3法布里-珀罗干涉仪TheFabry-Perotinterferometer
5.3.1干涉环的形成与自由光谱区Fringesandfreespectrumrange
5.3.2艾里函数与条纹精细度Airyfunctionandfinesse
5.3.3干涉仪平板间距的确定Determinationofplateseparation
5.3.4光波长及光谱线宽测量Measurementsofwavelengthandlinewidth
5.3.5双标准具选模Modeselectionwithdoubleetalon
5.4拉曼-奈斯驻波声光调制器StandingwaveRaman-Nathacousto-opticmodulator
5.4.1零级光束调制度的计算与测量Calculationandmeasurementofzero-ordermodulationdegree
5.4.2匹配网络的优化Optimizationofmatchingnetwork
5.4.3等效阻抗的分析Analysisofequivalentimpedance
5.5光场偏振态的描述及操控Polarizationofopticalfieldanditscontrol
5.5.1偏振态的描述Descriptionofthestateofpolarization
5.5.2波片与菲涅耳棱镜WaveplateandFresnel'srhomb
5.5.3偏振态的控制Controlofthestateofpolarization
参考文献References
第6章非接触光学层析成像Non-contactOpticalTomography
6.1实验装置及其应用Experimentalapparatusanditsapplications
6.1.1系统设计Systemdesign
6.1.2系统性能评估Systemperformanceevaluation
6.1.3光学漫射层析成像Opticaldiffusetomography
6.1.4光学荧光层析成像Fluorescentopticaltomography
6.2大数据组光学漫射层析成像影像重构方法的实验验证Experimentaldemonstrationofananalyticmethodforimagereconstructioninopticaldiffusiontomographywithlargedatasets
6.3大数据组荧光光学层析成像Fluorescentopticaltomographywithlargedatasets
参考文献References
附录Appendix
A通过偏振器产生的椭圆偏振光强度表达式Pt=P0（|ε1|2sin2δ+|ε3|2cos2δ)的推导Derivationoftheexpressionfortheintensityofelliptically-polarizedlightpassingthroughapolarizerPt=P0（|ε1|2sin2δ+|ε3|2cos2δ)
B椭圆偏振光椭率参数|ε1|和|ε3|的确定Determinationofthepolarizationparameters|ε1|and|ε3|ofellipticityforelliptically-polarizedlight
Cs-,p-和d-分波间库仑相位差的推导DerivationofCoulombphasedifferencesbetweens-,p-andd-partialwaves
D量子亏损相位差的推导Derivationofquantumdefectphasedifferences
ECO2激光分子能级图与输出光谱线Energyleveldiagramoflow-lyingstatesofCO2andlaserwavelength
F拉曼-奈斯声光调制器M0-η0理论曲线的绘制说明ExplanationofM0-η0curvedrawingofRaman-Nathacousto-opticmodulator
GAJG75-1型激光无标尺地形仪测图报告及其在黄山索道工程中的应用ScalemapsurveyingreportonAJG75-1laserrangefindertheodoliteanditsapplication
主要名词术语英汉对照表EnglishandChineseglossary