Спектроскопия насыщенного поглощения - Saturated absorption spectroscopy

В экспериментальном атомная физика, спектроскопия насыщенного поглощения или же Бездоплеровская спектроскопия это установка, которая позволяет точно определить частоту перехода атом между его основным состоянием и оптически возбужденное состояние. 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 Эффект Допплера. Спектроскопия насыщенного поглощения позволяет точно спектроскопия атомных уровней без необходимости охлаждения образца до температур, при которых доплеровское уширение больше не актуально (что было бы порядка нескольких милликельвинов). Он также используется для блокировки частоты лазер к точной длине волны атомного перехода в экспериментах по атомной физике.

Доплеровское уширение спектра поглощения атома

Основная статья: Доплеровское уширение

Согласно описанию атома, взаимодействующего с электромагнитное поле, поглощение света атомом зависит от частоты падающих фотонов. Точнее, абсорбция характеризуется Лоренциан шириной Γ / 2 (для справки, Γ ≈ 2π × 6 МГц для общего Рубидий D-строчные переходы^[1]). Если у нас есть ячейка с атомным паром при комнатной температуре, то распределение скорости будет следовать Распределение Максвелла – Больцмана

${\displaystyle n(v)dv=N{\sqrt {\frac {m}{2\pi k_{B}T}}}e^{-{\frac {mv^{2}}{2k_{B}T}}}dv,}$

куда ${\displaystyle N}$ это количество атомов, ${\displaystyle k_{B}}$ это Постоянная Больцмана, и ${\displaystyle m}$ масса атома. Согласно Эффект Допплера формула для нерелятивистских скоростей,

${\displaystyle \omega _{lab}=\omega _{0}\left(1\pm {\frac {v}{c}}\right),}$

куда ${\displaystyle \omega _{0}}$ - частота атомного перехода, когда атом покоится (тот, который исследуется). Значение ${\displaystyle v}$ как функция ${\displaystyle \omega _{0}}$ и ${\displaystyle \omega _{lab}}$ можно вставить в распределение скоростей. Распределение поглощения как функция пульсации, следовательно, будет пропорционально гауссову с полная ширина на половине максимальной

${\displaystyle \Delta \omega _{lab}=\omega _{0}{\sqrt {\frac {8k_{B}T\ln 2}{mc^{2}}}}}$

Для атома рубидия при комнатной температуре^[2],

${\displaystyle \Delta \omega _{lab}\approx 500{\mbox{ MHz}}\approx 2\pi \cdot 80{\mbox{ MHz}}\gg \Gamma /2\approx 2\pi \cdot 3{\mbox{ MHz}}}$

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 тепловое движение. Если лучи красный расстроенный относительно частоты атомного перехода, то луч накачки будет поглощаться атомами, движущимися к источнику луча, в то время как пробный луч будет поглощаться атомами, удаляющимися от этого источника с той же скоростью в противоположном направлении. Если лучи расстроены на синий цвет, происходит обратное.

Типичное пропускание зондирующего луча, зарегистрированное на фотодиоде для природного рубидия, в зависимости от длины волны лазера

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 заставит 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, подвергнется стимулированное излучение, при прохождении фотона через образец. Таким образом, когда частота лазера проходит через резонанс, небольшой провал в абсорбционной характеристике будет наблюдаться на каждом атомном переходе (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 детали 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 пики кроссовера могут быть довольно сильными, часто более сильными, чем пики основного 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 используется диодный лазер с пьезоэлектрический преобразователь 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 имеется более двух релевантных переходов в доплеровском профиле образца (например, в щелочных атомах с сверхтонкие взаимодействия ). Это вызовет появление других провалов абсорбционной характеристики из-за этих новых резонансов в дополнение к резонансам кроссовера.

Рекомендации

• Спектроскопия насыщенного поглощения рубидия.

1. Д. А. Штек. «Данные щелочи линии D».
2. 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
3. Дэрил В. Престон (ноябрь 1996 г.). «Бездоплеровское насыщенное поглощение: лазерная спектроскопия». (PDF). Американский журнал физики. 64 (11): 1432–1436. Bibcode:1996AmJPh..64.1432P. Дои:10.1119/1.18457.