rb原子饱和吸收的光谱测量

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1、本科实验报告课程名称：光谱技术及应用姓名：李东宇田静逸陈安秋学院：光电信息工程学系系：光电系专业：光电信息工程学号：3100105282指导教师：杨青袁波2013年4月20日11专业：_光电信息工程学系姓名：_田静逸_学号：_3100105282__日期：_2013年4月20日_地点：__教3-213_实验报告课程名称：光谱技术及应用指导老师：杨青成绩：_______________实验名称：饱和吸收光谱实验实验类型：同组学生姓名：李东宇陈安秋一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要

2、仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一．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。二．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10cm的F-P标准具1个（折射率n=1.51，直径25.4mm）；4、D2.0中性密

3、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。三．实验原理1、饱和吸收原理11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

4、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为：（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：（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：（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），低能级粒子数N1与高能级粒子数N2之

5、间存在如下关系：（4）其中，A为自发辐射系数，B为受激辐射或受激吸收系数，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。如果系统受到频率强光（泵浦光）照射，则，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

6、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1~112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：（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和处，

7、此外在还将出现交叉共振吸收峰。因为对于速度的粒子，根据公式（5）探测光和泵浦光的频率将分别移至和处，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。012(a)(b)11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。在实际应用中，通常先让LD稳定在某

8、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