铷光谱灯是被动型铷原子频标的选态光源．它是一种无极放电灯，灯泡中充有⁸⁷Rb蒸气和缓冲气体，高频激励信号使缓冲气体电离，缓冲气体离子再与⁸⁷Rb蒸气原子碰撞，激励后者发光，因此缓冲气体的种类和压力对铷发光特性有影响.

在铷原子频标中，铷光谱灯的作用是通过光抽运使⁸⁷Rb基态5²S_1/2的两个超精细能级F = 1和F = 2之间产生粒子数反转．如图 1所示，光谱灯中⁸⁷Rb发出的光含有D₁(795 nm)和D₂(780 nm)两条谱线，每条谱线又含有a和b两种成分，只有b成分对光抽运有用，a成分应加以滤除．类似地，⁸⁵Rb也有D₁和D₂两条跃迁谱线，每一谱线含有A和B两种成分．由于A与a相距较近，B线与b相距较远，利用一个⁸⁵Rb滤光泡对⁸⁷Rb谱灯发光进行同位素滤光^[1]，就可以滤除谱灯光谱中的a线，剩余b线作为抽运光对吸收泡中的⁸⁷Rb进行抽运.

图 1 铷原子能级和跃迁谱线．(a)87Rb和85Rb原子能级和跃迁谱线，(b)铷原子原子光谱轮廓，其中曲线1、2和3分别为87Rb谱灯发光谱、85Rb滤光泡吸收谱和经过滤光后的谱灯光谱 Fig. 1 Energy levels and transition lines of rubidium.(a)The energy levels and transition lines of 87Rb and 85Rb.(b)Spectral profiles of rubidium，in which curve 1，2 and 3 are the emission spectral profile of a 87Rb lamp，the absorption spectral profile of 85Rb filter cell and the lamp spectral profile filtered by a 85Rb filter cell respectively

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为了获得良好的滤光效果，应在滤光泡中充入一定压力的缓冲气体，利用缓冲气体与⁸⁵Rb之间的碰撞频移使⁸⁵Rb吸收谱线朝更长波长方向移动，即使A和a线更加靠近，而B与b更加远离．Kuramochi^[2]和梅刚华^[3]等人研究过不同种类缓冲气体对滤光效果的影响，但没有分析过铷光谱灯光谱线型的影响，也没有将研究结果与铷原子频标的实际应用结合起来.

本文借助Fabry-Perot(F-P)干涉仪光谱测量技术，从铷原子频标设计的角度，研究灯泡和滤光泡均充入氩气作为缓冲气体情况下，如何通过工作参数选择，优化谱灯光谱特性和同位素滤光特性的问题．优化后的光谱灯和滤光泡已应用于铷原子频标，测得频率稳定度为5.0×10^-13 τ ^-1/2(t = 1~400 s).

实验装置如图 2所示．⁸⁷Rb谱灯发出光经过窄带滤光片滤除缓冲气体发光，窄带滤光片中心波长分别为780 nm和795 nm、带宽为15 nm，峰值透过率大于50%，使铷的D₁或D₂线通过，进入⁸⁵Rb滤光泡滤光．再经焦距为140 mm的透镜准直后进入F-P干涉仪，透射光经过焦距为180 mm的透镜聚焦后进入光电倍增管．光电倍增管前放置0.3 mm孔径光阑，以便探测干涉中心处的光强．光强信号用数据采集器记录.

图 2 铷超精细光谱测量实验装置 Fig. 2 Experimental setup for measurement of the hyperfine spectral profile of rubidium

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所用F-P干涉仪通过改变腔镜间空气气压，也就是改变腔镜间介质折射率的方式达到扫描光谱的目的．干涉仪通光孔径为25 mm，高反腔镜反射率为97%，带宽为660~840 nm，镜间隔10 mm，自由光谱程为15 GHz，精细度约为30.

实验中所用的铷光谱灯灯泡内充入的起辉气体为氩气，气压为213.28 Pa．滤光泡分为两组：第一组有4个，直径为20 mm，长度为14 mm，分别充入Ar-5332 Pa、Ar-9331 Pa、Ar-13330 Pa和Ar-17329 Pa气体；第二组有3个，直径为20 mm，均充入Ar-9331 Pa气体，泡长分别为16、18和20 mm.

利用图 2的装置，去除其中的滤光泡，直接测量了谱灯的超精细光谱轮廓．实验中，通过控温系统改变谱灯的工作温度，利用中心波长为795 nm和780 nm的窄带滤光片，分别考察了D₁和D₂线光谱轮廓随光谱灯工作温度变化的情况，测量结果示于图 3.

图 3 不同工作温度下87Rb-Ar谱灯的超精细光谱．(a)和(b)分别对应D1线和D2线 Fig. 3 Hyperfine spectral profiles of 87Rb-Ar lamp under various temperature.(a)corresponding to D1 line(b)corresponding to D2 lines

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由图 3可以看到，随着谱灯工作温度升高，D₁线和D₂谱线强度不断增强；温度高于120 ℃以后，光强逐渐减弱．另一方面，随着温度升高，光谱轮廓出现变形，温度越高，变形越严重．这是由灯泡内铷原子对光的自吸收引起的^[4]．比较D₁线和D₂线光谱可以看到，相同温度下D₂线谱线轮廓变形或自吸收效应更严重，这是由⁸⁷Rb原子对D₂线的吸收截面比D₁线更大导致的^[5].

在实际应用中，还要求对光谱灯的工作温度高于张弛振荡温度点．张弛振荡是一种灯泡内缓冲气体与铷原子交替发光的物理现象^[1]，通常在灯温较低时出现，此时谱灯发光的光谱不纯且光强变化剧烈，无法用于铷原子钟．经测量，该谱灯张弛振荡温度约为125 ℃，所以我们最终光谱灯的工作温度选定在高出张弛振荡温度约5 ℃的130 ℃^[6]，此时谱灯能够稳定工作．由图 3的结果可知，充氩气的铷谱灯光谱轮廓总存在一定程度的自吸收变形，这是无法避免的.

将谱灯的工作温度设定在130 ℃，用长度为16 mm的Ar-9331 Pa滤光泡进行同位素滤光，分别得到谱灯光谱中D₁和D₂线轮廓随滤光泡温度的变化，示于图 4．可以看出，随着温度升高，a线和b线强度均呈衰减趋势，但a线衰减得更快.

图 4 经Ar-9331 Pa滤光泡滤光后的光谱轮廓．(a)和(b)分别对应D1线和D2线 Fig. 4 Spectral profiles of the lamp light passed through a filter cell containing Ar-9331 Pa.(a)corresponding to D1 line(b)corresponding to D2 lines

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为对比D₁线与D₂线滤光效果的差异，作出了光强比(a/b)和光强差(b-a)随滤光泡工作温度变化的曲线，如图 5所示．为方便起见，作(b-a)曲线时，对数据进行了归一化处理，将40 ℃时b线强度取为1．在超精细光谱中，b线是起光抽运作用的有用光，a线是无用光，因此总是希望a/b越小越好，(b-a)越大越好．由图 5可看出，滤光泡温度达到70 ℃以上时，才能得到较小a/b值和较大的(b-a)，这一结果对于铷原子频标设计是有意义的；还可看出在相同滤光泡温度下，D₁线的滤光效果优于D₂线，这可能与D₂线线轮廓变形比D₁线更严重有关.

图 5 D1线和D2线光强比(a)和光强差(b)曲线 Fig. 5 Hyperfine light intensity ratio(a) and difference(b)curves for D1 and D2 lines

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固定滤光泡长度(14 mm)，测量了氩气气压分别为5 332 Pa、9 331 Pa、13 330 Pa和17 329 Pa时，穿过滤光泡的D₁线光谱轮廓，示于图 6．相应的(a/b)和(b-a)曲线示于图 7.

图 6 穿过不同压力的氩气滤光泡后的D1线谱线轮廓 Fig. 6 Spectral profiles of D1 line passed through 85Rb filter cells containing argon with various pressures

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图 7 不同压力的滤光泡对D1线的滤光效果．(a)和(b)分别为光强比和光强差曲线 Fig. 7 Filtering effects of filter cells with different argon pressures for D1 line，given in(a)intensity ratio and (b)intensity difference curves

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由图 7可以分析氩气压力对滤光效果的影响．在相同滤光泡温度下，滤光泡气压越高，则(a/b)越小，(b-a)越大，滤光效果越好，但Ar-13 330 Pa和Ar-17 329 Pa滤光泡滤光效果差异不大．另一方面，随着滤光泡温度的升高，滤光效果也变好．但是当滤光泡温度超过80 ℃以后，有用的b光的光强太弱(参见图 6)，这对光抽运是不利的.

为了研究滤光泡泡长的影响，固定滤光泡氩气压力(9 331 Pa)，测量了经泡长分别为14、16、18和20 mm的滤光泡滤光后D₁线的光谱轮廓．图 8给出基于测量光谱得到的滤光效果曲线.

图 8 不同泡长滤光泡对D1线的滤光效果．(a)和(b)分别为光强比和光强差曲线 Fig. 8 Filtering effects of filter cells with different length for D1 line，given in(a)intensity ratio and (b)intensity difference curves

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由图 8可看到滤光泡长度也会对滤光效果产生影响．在相同滤光泡温度下，泡长越大，滤光效果越好；另一方面，泡长越大，获得最佳滤光效果[a/b达到最小值，(a-b)达到最大值]，所需的滤光泡温度也越低.

根据以上研究结果，确定了铷光谱灯和滤光泡的设计参数和工作参数．铷光谱灯灯泡充入气压为213.28 Pa的氩气，工作温度为130 ℃．铷滤光泡充入气压为13 330 Pa的氩气，泡长度为18 mm，工作温度为70 ℃．我们将此技术用到铷原子频标设计中，显著改善了铷频标的频率稳定度指标．得到的短期频率稳定度测量结果为5.0×10^-13τ ^-1/2(τ = 1~400 s)，如图 9所示．据我们所知，这应该是有报道的铷频标最好的短稳结果．尽管我们还采用了其他新技术，但是可以肯定，谱灯和滤光泡参数的优化，对改善铷频标稳定度指标起到了重要作用.

图 9 铷原子频标短期频率稳定度测试结果 Fig. 9 Measured short term frequency stability of a rubidium atomic frequency st and ard

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本文利用超精细光谱测量技术，研究了充氩气的⁸⁷Rb光谱灯发光光谱特性，以及充氩气的⁸⁵Rb滤光泡对这种光谱灯的同位素滤光效果．结果表明，这种光谱灯光谱在一定程度上存在由自吸收效应引起的光谱谱线轮廓变形，D₂线谱线轮廓变形比D₁线更严重；灯泡工作温度越高，光谱变形也更严重，因此，应将谱灯的工作温度设定在略高于张弛温度的地方．结果还表明，滤光泡对D₁线的滤光效果优于D₂线，滤光泡气压、长度和工作温度对滤光效果有显著影响．根据研究结果，优化了谱灯和滤光泡的设计参数和工作参数．将这些技术用于铷原子频标设计，显著改善了铷原子频标的短期频率稳定度，实测的频率稳定度为5.0×10^-13τ ^-1/2(τ = 1~400 s)．我们也注意到，以氩气作为缓冲气体的⁸⁷Rb光谱灯在130 ℃温度工作时，发光谱线轮廓存在变形，这在一定程度上会影响铷原子频标的长期频率稳定度^[7]．若能采取措施适当降低谱灯工作温度，将有利于获得优良的长期频率稳定度指标.