试验指导书饱和吸收光谱试验

饱和吸收光谱实验

[实验目的]

1、了解饱和吸收光谱的基本原理；

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（Laser diode, LD ）以及LD 驱动器和温度控制器1套；

2、87Rb 原子池1个和87Rb 85Rb 原子池1个；（注：两组共用）

3、腔长10 cm 的F-P 标准具1个（折射率n =1.51，直径25.4 mm ）；

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；（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（Arthur L. Schawlow ），而后被应用到激光冷却捕获原子和Bose-Einstein 凝聚实验中，后两者的研究成果也分别在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：当粒子相对于探测光束0υ以速度v （正号表示粒子运动方向与光束传播方向相同，负号反之）运动时，探测器接收到的实际频率υ为：

⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅=c v 10υυ （1）

其中c 为光速。在热平衡条件下，粒子运动速度服从Maxwell-Boltzmann 分布：

()v v v v d kT M kT M d P ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=2exp 22π （2）

其中M 为粒子质量，k 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呈高斯线型：

()()υυυυπυυυd kT Mc kT M c d P ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=202020

2exp 2 （3） 这就是多普勒展宽的基本原理。

② 饱和吸收：考虑一个两能级系统（能级差为E ∆），低能级粒子数N 1与高能级粒子数N 2之间存在如下关系：

()[]

υρB A N N N +=+21212 （4） 其中，A 为自发辐射系数，B 为受激辐射或受激吸收系数，()υρ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有少量粒子处于高能级，低能级粒子吸收光子跃迁到高能级就是正常吸收过程。

如果系统受到频率h E ∆=0υ强光（泵浦光）照射，则()A B >>0υρ，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0υ的光的吸收系数会大大降低，此时如果用另一束弱激光照射粒子，则频率0υ处透射光将变强，形成一个反向的小峰（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v 而言探测光和泵浦光的频率分别为：

⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅=⎪⎭⎫ ⎝⎛-⋅=c c pump prob v v 1100υυυυ （5）

③ 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 ）所示的三能级系统，其正常的饱和吸收峰中心将分别出现在1υ和2υ处，此外在()2210υυυ+=还将出现交叉共振吸收峰。因为对于速度⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-±=21

21υυυυc v 的粒子，根据公式（5）探测光和泵浦光的频率将分别移

至1υ和2υ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。

c e

(a)

(b)

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 的发光波长可由温度和驱动电流来调节，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（约十几纳米），所以事先需要选择室温状态下波长在所测谱线附近的LD 作为光源。在实际应用0 1

2

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原子池探测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。光束③经过F-P标准具后，被光电探测器B接收，用于波长定标。

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中做进一步的分析和处理。

图3 系统结构示意图

[实验内容]

1、按照仪器上给出的参考温度和电流值，调节LD温度控制器和电流驱动器，

使LD发光波长调谐到794 nm附近。

2、根据检测原理，利用所提供的光学器件构建合适的光路，然后通过信号发生

器输入锯齿波到LD电流驱动器上以实现波长扫描，由此测出Rb原子的饱和吸收光谱，并同时记录F-P标准具的干涉图谱。（注：需要针对两个Rb原子池分别测量光谱）

3、调节可调光衰减片，观察饱和吸收光谱随泵浦光强的变化，并进行总结。

4、测量饱和吸收光谱中的兰姆凹陷宽度，与多普勒线宽进行比较。

5、计算85Rb原子52P1/2态的能级分裂大小。

[注意事项]

1、实验中使用794 nm的LD作为光源，要避免光束（特别是未经衰减的光束）

直射入或反射到人眼中，所以实验中要注意控制无用的反射或透射光束的方向，请采用俯视的方式进行光路调节，严禁采用平视的方式进行观察和调节。

2、两组同学被安排在同一光学平台上，要特别注意不能让强光束直接射到另一

组同学的工作区域，因为对方通常会不知道光束的去向，很容易受到伤害。

3、当温度已经在参考温度附近稳定下来后，如果没有扫描出光谱，请不要随意

调节LD温度控制器，因为温度稳定需要时间，此时可调节LD电流驱动器。

4、注意避免光路中相邻镜面呈平行状，因为这样容易形成干涉，对最终的信号

产生干扰。

5、注意避免探测器信号过饱和，如果信号过饱和则无法得到正确的数据。

6、F-P标准具的调节需非常细心，否则不能得到好的干涉信号。

7、在使用Rb原子池时要特别小心，千万不要将其打破，因为金属Rb暴露在空

气中容易燃烧，而且Rb原子池本身比较昂贵。

8、信号发生器由两组共用，所以不要轻易改变其输出波形，因为这样会影响到

另一组的测量信号。

9、注意应该使泵浦光较强，而探测光较弱，否则无法探测到饱和吸收光谱。