实验指导书2-饱和吸收光谱实验

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1、饱和吸收光谱实验陕验目的］1、了解饱和吸收光谱的基木原理；2、掌握基于LD调制的Rb原子饱和吸收光谱的测量方法；3、通过光谱分析理解饱和吸收光谱的去多普勒特性。［仪器和装置］1、794nm激光二极管（Laserdiode,LD）以及LD驱动器和温度控制器1套；2、87Rb原子池1个和87Rb85Rb原子池1个；（注：两组共用）3、腔长10皿的尸£标准具1个（折射率n=1.51,直径25.4mm）；4、D2.0中性密度滤光片1个，D0.3中性密度滤光片1个，可调光衰减片1个;5、光电探测器2个（带1个电源）；6、信号发生器1个；

2、（注：两组共用）7、示波器1个；8、白屏1个，小孔1个，红外显示卡1个；9、楔形玻璃板1个，反射镜1个。［实验原理］1、饱和吸收原理饱和吸收光谱是一种获得消除多普勒展宽的激光光谱方法，它在1981年诺贝尔物理学奖中被提及（ArthurL.Schawlow）,而后被应用到激光冷却捕获原子和Bose-Einstein凝聚实验屮，后两者的研究成呆也分别在1997年和2001年获得诺贝尔奖。由此可见，饱和吸收光谱是一种非常有用的光谱技术。①多普勒展宽：当粒了相对于探测光束％以速度卩（正号表示粒了运动方向与光束传播方向相同，负号反Z）运

3、动时，探测器接收到的实际频率"为：'vAQ=%•1+—（1）其屮c为光速。在热平衡条件下，粒子运动速度服从Maxwell-Boltzmann分布:P(v}dv=1M1avn'Mv2}I2^T卩<2kT丿dv(2)其小M为粒子质量，£为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。综合考虑式（1）和式（2）,容易知道由于多普勒效应使得谱线轮廓星高斯线型:p(v)dv=i^exp-'Me2(v-v(})22kTu{dv/(3)这就是多普勒展宽的基本原理。①饱和吸收：考虑一个两能级系统（能级差为AE）,低能级粒子数M与咼能级粒子数M之冋存在如下关系:

4、(4)M二1N+N?2+A/[Bp(z>)]其中，A为口发辐射系数，B为受激辐射或受激吸收系数，p（〃）为辐射场的能量密度。根据Boltzmann分布理论，正常情况下大部分粒子处于低能级而只冇少量粒了处丁高能级，低能级粒了吸收光了跃迁到高能级就是止常吸收过程。如果系统受到频率=AE/A强光（泵浦光）照射，则BpM»A,根据公式（4）知道此时处于高能级和低能级的粒子数近似相等，我们称这个状态为饱和状态。在饱和状态下，粒子对频率为Q的光的吸收系数会大大降低，此时如果用另一朿弱激光照射粒子，则频率％处透射光将变强，形成一个反向的小

5、峰（如图1中箭头所示），也称为兰姆凹陷。兰姆凹陷的宽度与自然线宽相当，比多普勒线宽要窄1〜2个数量级。因此当有多条谱线相互重叠，又由于多普勒增宽而无法分辨时，可利用饱和吸收光谱对这些重叠谱线实现高分辨测量。图1饱和吸收光谱在实验中，通常仅使用一个激光光源，将其分束为一弱探测光和一强泵浦光,以相反方向入射到样品池中，根据公式（1）此时对于运动粒子y而言探测光和泵浦光的频率分别为：〃"必=%.1__（V⑸Vpump=4）°1+_.Vc丿①交叉共振：当存在多能级时，除了正常的饱和吸收峰外，还会形成交叉共振吸收峰。考虑如图2（a）所

6、示的三能级系统，其正常的饱和吸收峰屮心将分别出现在3和q处，此外在&=仏+乞）/2述将出现交叉共振吸收峰。因为对/于速度孑二土^生岂的粒了，根据公式（5）探测光和泵浦光的频率将分别移冷+4丿至3和“2处，这样泵浦光就可以改变该速度下的粒子数，使探测光吸收减小。图2三能级结构（a）及其饱和吸收光谱（b）2、LD调制饱和吸收光谱测量原理测量系统结构如图3所示。LD的发光波长口J出温度和驱动电流來调节，它将随着温度的升高和驱动电流的增大而超长波方向移动，在极限情况下其波长调节范围不大（约T•几纳米）,所以事先需要选择室温状态下波长

7、在所测谱线附近的LD作为光源。在实际应用中，通常先让LD稳定在某一个温度，然后将信号发生器产生的低频（约100Hz）锯齿波信号加载在LD电流驱动器上，从而实现波长的小范围扫描以得到待测样品的光谱。准直后的LD激光束①被分束镜（半反半透）分成②和③两束光。光束②作为泵浦光，入射到Rb原子池中，激发Rb原子使其达到饱和状态；它从Rb原子池出射后再经楔形板弱反射，形成一束弱探测光④，探测光入射到Rb原了池探测Rb原子的饱和吸收光谱；透过Rb原子池的探测光信号再经合适的反射镜反射后被光电探测器A接收。光朿③经过F・P标准具后，被光电探

8、测器B接收，用于波氏定标。通过示波器检测到的模拟信号可转化为数字信号送入计算机屮做进一步的分析和处理。光电探测器A温度控制器1电流激光准直菠动器一4二极管—透镜①、Rb原子⑷、②样品池"③/分束镜楔形板F-P标准具信号发牛器计算机光电探测器B示波器CHICH24L图3系统结