В экспериментальной атомной физике , насыщенная абсорбционная спектроскопия или Бездопплеровская спектроскопии является установкой , которая позволяет точно определить частоты перехода атома между его состоянием и оптический возбужденным состоянием . Точность определения этих частот в идеале ограничивается только шириной возбужденного состояния, которая является обратной величине времени жизни этого состояния. Однако образцы атомарного газа, которые используются для этой цели, обычно находятся при комнатной температуре, где измеренное частотное распределение сильно расширено из-за эффекта Доплера . Спектроскопия насыщенного поглощения обеспечивает точную спектроскопиюатомных уровней без необходимости охлаждения образца до температур, при которых доплеровское уширение больше не актуально (что было бы порядка нескольких милликельвинов). Он также используется для привязки частоты лазера к точной длине волны атомного перехода в экспериментах по атомной физике.
Доплеровское уширение спектра поглощения атома
Согласно описанию атома, взаимодействующего с электромагнитным полем , поглощение света атомом зависит от частоты падающих фотонов. Точнее, поглощение характеризуется лоренцианом шириной Γ / 2 (для справки, Γ ≈ 2π × 6 МГц для обычных переходов D-линии рубидия [1] ). Если у нас есть ячейка с атомным паром при комнатной температуре, то распределение скорости будет соответствовать распределению Максвелла – Больцмана.
где это количество атомов, - постоянная Больцмана , амасса атома. Согласно формуле эффекта Доплера в случае нерелятивистских скоростей,
где - частота атомного перехода, когда атом покоится (тот, который исследуется). Значение как функция а также можно вставить в распределение скоростей. Распределение поглощения как функция пульсации, следовательно, будет пропорционально гауссиану с полной шириной на полувысоте.
Для атома рубидия при комнатной температуре [2]
Следовательно, без каких-либо специальных приемов в экспериментальной установке, исследующей максимум поглощения атомного пара, неопределенность измерения будет ограничиваться доплеровским уширением, а не фундаментальной шириной резонанса.
Принцип спектроскопии насыщенного поглощения
Чтобы преодолеть проблему доплеровского уширения без охлаждения образца до милликельвиновых температур, используется классическая и довольно общая схема «накачка-зонд». Лазер с относительно высокой интенсивностью проходит через атомный пар, известный как луч накачки. Другой встречный слабый луч также проходит через атомы с той же частотой, известный как пробный луч. Поглощение зондирующего луча регистрируется на фотодиоде для различных частот лучей.
Хотя два луча имеют одинаковую частоту, они обращаются к разным атомам из-за естественного теплового движения . Если лучи имеют красную отстройку относительно частоты атомного перехода, то луч накачки будет поглощаться атомами, движущимися к источнику луча, в то время как зондирующий луч будет поглощен атомами, удаляющимися от этого источника с той же скоростью в противоположное направление. Если лучи расстроены на синий цвет, происходит обратное.
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/3/3b/Exemple_absorption_satur%C3%A9e.png/250px-Exemple_absorption_satur%C3%A9e.png)
Однако если лазер находится примерно в резонансе, эти два луча обращаются к одним и тем же атомам, причем векторы скорости которых почти перпендикулярны направлению распространения лазера. В двухуровневом приближении атомного перехода сильный пучок накачки заставляет многие атомы находиться в возбужденном состоянии; когда количество атомов в основном и возбужденном состояниях приблизительно равно, переход называется насыщенным. Когда фотон из зондирующего луча проходит через атомы, существует большая вероятность того, что, если он встретит атом, атом окажется в возбужденном состоянии и, таким образом, испытает вынужденное излучение , при этом фотон пройдет через образец. Таким образом, когда частота лазера проходит через резонанс, на каждом атомном переходе будет наблюдаться небольшой провал характеристики поглощения (обычно сверхтонкие резонансы ). Чем сильнее пучок накачки, тем шире и глубже становятся провалы в гауссовской доплеровской характеристике поглощения. В идеальных условиях ширина провала может приближаться к естественной ширине линии перехода. [3]
Следствием этого метода встречных лучей в системе с более чем двумя состояниями является наличие кроссоверных линий. Когда два перехода находятся в пределах одной функции с доплеровским уширением и имеют общее основное состояние, может возникнуть пик кроссовера на частоте точно между двумя переходами. Это результат того, что движущиеся атомы видят, что лучи накачки и зондирующие лучи резонируют с двумя отдельными переходами. Луч накачки может вызвать опустошение основного состояния, насыщение одного перехода, в то время как пробный луч обнаруживает гораздо меньше атомов в основном состоянии из-за этого насыщения, и его поглощение падает. Эти кроссоверные пики могут быть довольно сильными, часто более сильными, чем основные пики насыщенного поглощения. [3]
Экспериментальная реализация
Поскольку накачка и зондирующий луч должны иметь одинаковую точную частоту, наиболее удобным решением является использование одного и того же лазера. Зондирующий луч может быть создан путем отражения луча накачки, прошедшего через фильтр нейтральной плотности, чтобы уменьшить его интенсивность. Для точной настройки частоты лазера можно использовать диодный лазер с пьезоэлектрическим преобразователем, который регулирует длину волны резонатора. Из-за шума фотодиода частота лазера может изменяться по переходу, а показания фотодиода усредняться по множеству разверток.
В реальных атомах иногда бывает более двух релевантных переходов в доплеровском профиле образца (например, в щелочных атомах со сверхтонкими взаимодействиями ). Это вызовет появление других провалов абсорбционной характеристики из-за этих новых резонансов в дополнение к резонансам кроссовера.
Рекомендации
- ^ DA Steck. «Данные щелочной линии D» .
- ^ Крис Лихи, Дж. Тодд Хастингс и П.М. Уилт, Температурная зависимость доплеровского уширения в рубидии: студенческий эксперимент Американский журнал физики 65, 367 (1997); https://doi.org/10.1119/1.18553
- ^ а б Дэрил В. Престон (ноябрь 1996 г.). «Бездоплеровское насыщенное поглощение: лазерная спектроскопия» (PDF) . Американский журнал физики . 64 (11): 1432–1436. Bibcode : 1996AmJPh..64.1432P . DOI : 10.1119 / 1.18457 .