Разрешение магнитной сверхтонкой структуры изотопов ртути с использованием спектрометра HyperFine компании LightMachinery

Введение

Спектрометры высокого разрешения HyperFine - новейшая разработка компании LightMachinery, где впервые реализован виртуальный фазированный массив VIPA.

В статье описаны результаты анализа спектра магнитной сверхтонкой структуры изотопов ртути, полученные с применением спектрометра HyperFine. Актуальность исследования обусловлена следующими фактами:

1. Ртутная лампа – наиболее распространенный источник, который принимается за эталонный в различных лабораторных исследованиях.
2. Спектрометры с обычными дифракционными решетками практически не применяются в исследованиях сверхтонких структур изотопов ртути из-за высокой стоимости и больших размеров.
3. Сведения о разрешении спектра сверхтонкой структуры ртутной лампы уже содержатся в справочной литературе, однако у двух из шести известных изотопов ртути зарегистрировано сверхтонкое расщепление спектральных линий. Проанализировать столь близко расположенные спектральные линии (расстояние между пиками менее 1 пм) возможно лишь с помощью спектрометра с высокой разрешающей способностью.

Эксперимент

Эксперимент проводился в два этапа. На первом этапе с использованием высокоточного спектрометра HyperFine проводилось измерение сверхтонкой магнитной структуры линии спектра излучения ртутной лампы, соответствующей длине волны 546.1 нм. Полученные данные сравнивались с данными из литературных источников для подтверждения точности выставления длины волны излучающего источника и относительной интенсивности излучения. В ходе постановки эксперимента неоднократно отмечалась компактность спектрометра HyperFine как еще одно неоспоримое преимущество перед дорогостоящими крупногабаритными приборами, используемыми в экспериментальных схемах ранее.

Во второй части анализ дублета волн длиной 577 нм и 579.1 нм отдельных изотопов проводился с помощью спектрометра с высоким разрешением серии HyperFine и двух спектрометров, оснащенных традиционной дифракционной решеткой. Все спектрометры классифицируются как «приборы высокого разрешения», в работе сравнивалась точность и разница в разрешении сверхтонкой структуры изотопов.

Спектрометр HyperFine оснащен эталонной виртуальной фазированной матрицей VIPA толщиной 1.68 мм и дополнен парой дифракционных решеток. Таким образом, удается достичь разрешения спектральных полос, расстояние между пиками которых составляет порядка 1 пм (измерение проведено на длине волны 530 нм). Диапазон разрешения можно расширить до 100 нм путем вращения решетки. 

Перед началом измерений спектрометр был откалиброван на монохроматическом излучении лазера с длиной волны 532 нм. Длина волны лазера была определена заранее. Излучение поступало через мультимодовый волоконно-оптический порт.

Полная ширина на уровне половинной высоты спектральной полосы, соответствующей 532 нм (см. рис. 1), составила 1 пм. Добротность виртуальной фазированной матрицы VIPA была около 55.

Рисунок 1. Вторая гармоника монохроматического лазерного излучения от волоконного иттербиевого источника, полученная с использованием спектрометра HyperFine: достигнут предел измерения полной ширины по половинной высоте 1 пм

Спектрометр, оснащенный традиционной дифракционной решеткой, продемонстрировал разрешение спектральных линий, расположенных на расстоянии до 0.2 нм. Фокусное расстояние входной коллимационной оптики при это составляло 220 мм. Коллимационная оптика направляла пучок на дифракционную решетку размерами 50 х 50 мм. Регулируя размер входной щели, наблюдали за изменением разрешающей способности спектрометра – так, минимальный предел расстояния между разрешаемыми пиками спектральных линий составил 0.2 нм. Дифракционная решетка внутри второго классического спектрометра была установлена неподвижно. Предельное расстояние между разрешаемыми пиками – доли нанометра. 

В качестве ртутной лампы был использован калибровочный источник. Изображение лампы формировалось прямо на входной щели одного из классических спектрометров в отличие от двух других схем, где перенос излучения производился с помощью волоконно-оптического кабеля диаметром 125 мкм.

Результаты

При сравнительном анализе спектров изотопов ртути, извлеченных из спектра поглощения без допплеровского эффекта, и при частотно-модулированных спектроскопических измерениях излучения ртутного источника с низким давлением спектрометр HyperFine воспроизводит безупречно точные показатели относительной интенсивности спектра и длины волны (рис. 2). Другим преимуществом спектрометра является высокая разрешающая способность, доказанная на примере наблюдения сверхтонкой магнитной структуры изотопов ртути.

Важно отметить, что калибровка длины волны источника проводилась независимо, дополнительных настроек для наблюдения сверхтонкой структуры изотопов не производилось. Наблюдаемая ширина центральной длины волны составила 5 пм, что является действительным (справочным) значением вследствие допплеровского уширения и не имеет отношения к приборному пределу.

Рисунок 2. Сверхтонкая структура изотопов ртути на линии спектра, соответствующей длине волны 546.1 нм, наблюдается ограничение спектральной ширины полосы из-за давления в ртутной лампе, ярко-синие линии под графиком спектра - иллюстрация сверхтонкой магнитной структуры ртути, изображенная сверхтонкая структура под спектральной картиной, полученной с помощью HyperFine, не относится к экспериментальным данным – это набор извлеченных линий

Дублет длин волн 577 нм и 579.1 нм регистрировался классическим спектрометром после подбора соответствующих размеров входных щелей, при которых наблюдалось предельное разрешение. Результаты представлены на рис. 3, видно разрешение пиков, разнесенных на минимальное расстояние 0.2 нм. Этот показатель позволяет различать пики дублета 577 нм и 579.1 нм, однако не подходит для разрешения сверхтонкой структуры изотопов ртути.

Рисунок 3. Сравнение спектральных картин дублета ртути, зарегистрированных спектрометром HyperFine (синяя кривая), спектрометрами с обычной дифракционной решеткой (красная и лиловая кривые): щель и решетка первого классического спектрометра подбирались так, чтобы достигался максимум разрешения пиков, расположенных на расстоянии 0.2 нм (на рисунке 0.15 нм), второй классический спектрометр обладал жесткой конфигурацией, его разрешающая способность максимальна при минимальном расстоянии между пиками 0.7 нм

Несмотря на естественное уширение, присущее спектральным линиям ртутной лампы, разница в разрешающей способности спектрометров очевидна и составляет несколько порядков. С помощью HyperFine удается наблюдать узкие линии спектра в масштабе, это особенно заметно на примере длины волны 579 нм (см. рис. 3 в левом верхнем углу). По результатам сравнения разрешающей способности спектрометров категории «приборы с высоким разрешением» и спектрометра HyperFine можно сделать вывод, что применение для спектрального анализа сверхтонких структур спектрометра HyperFine может быть более целесообразным.

Выводы

Благодаря высокой разрешающей способности, спектрометр HyperFine позволяет наблюдать сверхтонкие структуры спектра ртутной лампы (точность порядка 1 - 2 пм), расстояние между пиками которых составляет порядка 1 пм. Утверждение доказано как для длины волны 546.1 нм, так и для дублета длин волн 577 нм и 579.1 нм.

© LightMachinery Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции LightMachinery на территории РФ