利用里德伯原子斯塔克光谱分析冷离子源中的电场

我们分析由准连续光致电离冷 Rb 原子所产生的离子源中的电场，该原子被俘获于近同心、真空内 1064-nm 激光腔的焦斑中。离子流由外电场 ${\bf{F}}$ 引出。利用 Rb 57$F$ 及邻近高角动量里德伯能级的斯塔克效应（其呈现大幅线性斯塔克位移）来研究提取电场范围 $0<F<0.35$ V/cm 内离子源区域内的净电场概率分布。对于 $F=0$，我们还研究了 60$P_{1/2}$ 态的离子场诱导斯塔克谱，该态呈现（较弱的）二次电场响应，可简化电场分析。实验里德伯谱与理论斯塔克谱相比较，后者以由包含库仑相互作用的经典离子轨迹模拟获得的净电场分布加权。实验与模型吻合良好。在小 $F$ 与高离子源速率下，场近似服从 Holtsmark 分布，且离子流受库仑微场退化。随 $F$ 增大及离子源速率降低，场围绕 ${\bf{F}}$ 变窄分布，形成受微场退化较小的定向离子流。我们的结果对监测聚焦离子束应用中关注库仑相互作用的冷离子源以及冷等离子体中的电场研究具有意义。