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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87Rb85Rb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?0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：

?v????0??1??

?c?

（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：

1

?Mv2?M?P?v?dv?exp??dv ??2?kT?2kT?

（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：

P???d??c?Mc2????0?2?M?d? exp??2??2?kT2kT?0??

（3）

?0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N1与高能级粒子数N2之间存在如下关系：

N21 （4） ?N1?N22?A?B?????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?0??Eh强光（泵浦光）照射，则B???0???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?0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?0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

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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：

??v??????0?1??prob??c? ??v???????pump0?1??c???

（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?1和?2处，此外在?0???1??2?2还将出现交叉共振吸收峰。因为对

??1??2?于速度v??c???????的粒子，根据公式（5）探测光和泵浦光的频率将分别移

2??1至?1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。

Punp offPunp onCross resonance2 1

h?1 h?2 0

Direct resonances

(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

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