Gesättigte Absorptionsspektroskopie

Im experimentellen Atomphysik, gesättigte Absorptionsspektroskopie oder Doppler-freie Spektroskopie ist eine Aufstellung, die die genaue Bestimmung der Übergangsfrequenz von a ermöglicht Atom zwischen seinem Grundzustand und einem optisch aufgeregter Zustand. Die Genauigkeit, für die diese Frequenzen bestimmt werden können, ist idealerweise nur durch die Breite des angeregten Zustands begrenzt, was die Umkehrung der Lebensdauer dieses Zustands ist. Die für diesen Zweck verwendeten Proben von Atomgas sind jedoch im Allgemeinen bei Raumtemperatur, wo die gemessene Frequenzverteilung aufgrund deses stark erweitert wird Doppler-Effekt. Gesättigte Absorptionsspektroskopie ermöglicht präzise Spektroskopie von den Atomniveaus, ohne die Probe auf Temperaturen abkühlen zu müssen, bei denen die Doppler -Verbreiterung nicht mehr relevant ist (was in der Größenordnung von wenigen Millikelvins liegt). Es wird auch verwendet, um die Frequenz von a zu sperren Laser- zur genauen Wellenlänge eines Atomübergangs in Atomphysikversuche.

Doppler -Verbreiterung des Absorptionsspektrums eines Atoms

Gemäß der Beschreibung eines Atoms, das mit dem interagiert elektromagnetisches FeldDie Absorption des Lichts durch das Atom hängt von der Frequenz der einfallenden Photonen ab. Genauer gesagt ist die Absorption durch a gekennzeichnet Lorentzian von Breite γ/2 (zur Referenz, γ ≈ 2π × 6 mHz für gemeinsame Rubidium D-Line-Übergänge[1]). Wenn wir eine Zelle Atomdampf bei Raumtemperatur haben, folgt die Verteilung der Geschwindigkeit a Maxwell -Boltzmann -Verteilung

wo ist die Anzahl der Atome, ist der Boltzmann Konstante, und ist die Masse des Atoms. Laut dem Doppler-Effekt Formel bei nicht-relativistischen Geschwindigkeiten,

wo ist die Frequenz des Atomübergangs, wenn das Atom in Ruhe ist (die untersuchte). Der Wert von als Funktion von und kann in die Verteilung der Geschwindigkeiten eingefügt werden. Die Verteilung der Absorption als Funktion der Pulsation ist daher proportional zu einem Gaußschen mit Volle Weite bei der Hälfte des Maximums

Für ein Rubidium -Atom bei Raumtemperatur,[2]

Daher wird die Unsicherheit der Messung ohne besonderen Trick in der experimentellen Einrichtung, die das Maximum der Absorption eines atomaren Dampfs untersucht, durch die Doppler -Verbreiterung und nicht durch die grundlegende Breite der Resonanz begrenzt.

Prinzip der gesättigten Absorptionsspektroskopie

Um das Problem der Verbreiterung von Doppler zu überwinden, ohne die Probe auf Millikelvin-Temperaturen abzukühlen, wird ein klassisches und eher allgemeines Pump-Probe-Schema verwendet. Ein Laser mit einer relativ hohen Intensität wird durch den als Pumpstrahl bekannten Atomdampf geschickt. Ein weiterer konterner schwacher Strahl wird ebenfalls durch die Atome bei der gleichen Frequenz geschickt, die als Sondenstrahl bezeichnet wird. Die Absorption des Sondenstrahls wird auf einer Fotodiode für verschiedene Frequenzen der Strahlen aufgezeichnet.

Obwohl die beiden Strahlen bei der gleichen Frequenz sind, gehen sie aufgrund von natürlich unterschiedlichen Atomen an thermische Bewegung. Wenn die Strahlen sind rotdetuned In Bezug auf die atomare Übergangsfrequenz wird der Pumpenstrahl von Atomen absorbiert, die sich in Richtung Strahlquelle bewegen, während der Sondenstrahl von Atomen absorbiert wird, die sich in der entgegengesetzten Richtung mit derselben Geschwindigkeit entfernen. Wenn die Strahlen blaudetuniert sind, tritt das Gegenteil auf.

Typische Übertragung des Sondenstrahls, wie auf der Fotodiode für Natur Rubidium als Funktion der Wellenlänge des Lasers aufgezeichnet

Wenn der Laser jedoch ungefähr in Resonanz liegt, gehen diese beiden Strahlen dieselben Atome an, die diejenigen mit Geschwindigkeitsvektoren nahezu senkrecht zur Laserausbreitung. Bei der Zwei-Zustands-Näherung eines Atomübergangs führt der starke Pumpstrahl dazu, dass viele der Atome im angeregten Zustand liegen. Wenn die Anzahl der Atome im Grundzustand und der angeregte Zustand ungefähr gleich sind, soll der Übergang gesättigt sein. Wenn ein Photon aus dem Sondestrahl durch die Atome fließt, besteht eine gute Chance, dass das Atom im angeregten Zustand, wenn es auf ein Atom trifft stimulierte Emissionmit dem Photon durch die Probe. Wenn die Laserfrequenz über die Resonanz gefegt wird, wird bei jedem Atomübergang ein kleiner Einbruch des Absorptionsmerkmals beobachtet (allgemein Hyperfeinresonanzen). Je stärker der Pumpenstrahl ist, desto breiter und tiefer werden die Dips im Gaußschen dopplergestützten Absorptionsmerkmal. Unter perfekten Bedingungen kann sich die Breite des Dip der natürlichen Linie des Übergangs nähern.[3]

Eine Folge dieser Methode zur Gegenpropagierung von Strahlen auf einem System mit mehr als zwei Zuständen ist das Vorhandensein von Crossover-Linien. Wenn sich zwei Übergänge innerhalb eines einzelnen doppler-gestraßen Merkmals befinden und einen gemeinsamen Grundzustand haben, kann ein Crossover-Peak mit einer Frequenz genau zwischen den beiden Übergängen auftreten. Dies ist das Ergebnis von beweglichen Atomen, die die Pumpe und die Sondenstrahlen mit zwei separaten Übergängen resonieren. Der Pumpenstrahl kann dazu führen, dass der Grundzustand entvölkert wird und einen Übergang sättigt, während der Sondenstrahl aufgrund dieser Sättigung und seiner Absorption viel weniger Atome im Grundzustand findet. Diese Crossover -Peaks können ziemlich stark, oft stärker sein als die wichtigsten gesättigten Absorptionspeaks.[3]

Experimentelle Erkenntnis

Da die Pumpe und der Sondenstrahl die gleiche genaue Frequenz aufweisen müssen, besteht die bequemste Lösung darin, dass sie aus demselben Laser kommen. Der Sondenstrahl kann aus einem Spiegelbild des Pumpenstrahls bestehen, der durch den neutralen Dichtefilter geleitet wird, um seine Intensität zu verringern. Um die Frequenz des Lasers zu optimieren, ein Diodenlaser mit a piezoelektrischer Wandler Dadurch kann die Hohlraumwellenlänge verwendet werden. Aufgrund des Fotodiodenrauschens kann die Laserfrequenz über den Übergang gekehrt und der Photodiodenwert über viele Sweeps gemittelt werden.

In realen Atomen gibt es manchmal mehr als zwei relevante Übergänge innerhalb des Doppler -Profils der Probe (z. B. in Alkali -Atomen mit Hyperfeinwechselwirkungen). Dies erzeugt die Erscheinung anderer Dips in der Absorptionsmerkmal, da diese neuen Resonanzen zusätzlich zu Crossover -Resonanzen.

Verweise

  1. ^ D. A. Steck. "Alkali D -Zeilendaten".
  2. ^ Chris Leahy, J. Todd Hastings und P. M. Wilt, Temperaturabhängigkeit der Doppler-Broading in Rubidium: ein Bachelor-Experiment American Journal of Physics 65, 367 (1997); https://doi.org/10.1119/1.18553
  3. ^ a b Daryl W. Preston (November 1996). "Doppler-freie gesättigte Absorption: Laserspektroskopie" (PDF). American Journal of Physics. 64 (11): 1432–1436. Bibcode:1996amjph..64.1432p. doi:10.1119/1.18457.