Rb原子飽和吸收的光譜測(cè)量

1、 課程名稱:姓名:學(xué)院:系:專業(yè):學(xué)號(hào):指導(dǎo)教師:本科實(shí)驗(yàn)報(bào)告光譜技術(shù)及應(yīng)用李東宇田靜逸陳安秋光電信息工程學(xué)系光電系光電信息工程3100105282楊青袁波2013年4月20日專業(yè)：光電信息工程學(xué)系姓名：田靜逸實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：光譜技術(shù)及應(yīng)用指導(dǎo)老師：楊青實(shí)驗(yàn)名稱：飽和吸收光譜實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)類型：學(xué)號(hào)：_3100105282_日期：2013年4月20日_地點(diǎn)：教3-213_成績(jī)：同組學(xué)生姓名：李東宇陳安秋二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理（必填）四、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析（必填）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅ū靥睿┤⒅饕獌x器設(shè)備（必填）五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理七、討論、心得一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解飽和吸收光譜的基本原

2、理;2、掌握基于LD調(diào)制的Rb原子飽和吸收光譜的測(cè)量方法;3、通過光譜分析理解飽和吸收光譜的去多普勒特性。二儀器和裝置1、794nm激光二極管（Laserdiode,LD）以及LD驅(qū)動(dòng)器和溫度控制器1套；2、87Rb原子池1個(gè)和87Rb85Rb原子池1個(gè)；（注：兩組共用）3、腔長(zhǎng)10cm的F-P標(biāo)準(zhǔn)具1個(gè)（折射率n=1.51,直徑25.4mm）；4、D2.0中性密度濾光片1個(gè)，D0.3中性密度濾光片1個(gè)，可調(diào)光衰減片1個(gè);5、光電探測(cè)器2個(gè)（帶1個(gè)電源）；6、信號(hào)發(fā)生器1個(gè)；（注：兩組共用）7、示波器1個(gè)；8、白屏1個(gè)，小孔1個(gè)，紅外顯示卡1個(gè)；9、楔形玻璃板1個(gè)，反射鏡1個(gè)。三.實(shí)驗(yàn)原理1、

3、飽和吸收原理飽和吸收光譜是一種獲得消除多普勒展寬的激光光譜方法，它在1981年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中被提及（ArthurL.Schawlow）,而后被應(yīng)用到激光冷卻捕獲原子和Bose-Einstein凝聚實(shí)驗(yàn)中，后兩者的研究成果也分別在1997年和2001年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。由此可見，飽和吸收光譜是一種非常有用的光譜技術(shù)。多普勒展寬：當(dāng)粒子相對(duì)于探測(cè)光束u以速度v（正號(hào)表示粒子運(yùn)動(dòng)方0向與光束傳播方向相同，負(fù)號(hào)反之）運(yùn)動(dòng)時(shí)，探測(cè)器接收到的實(shí)際頻率u為：vu=ul+_（1）0Ic丿其中c為光速。在熱平衡條件下，粒子運(yùn)動(dòng)速度服從Maxwell-Boltzmann分布：P（v）dv=:M2RkTMvlLv2k

4、T丿2）其中M為粒子質(zhì)量，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。綜合考慮式（1）和式（2），容易知道由于多普勒效應(yīng)使得譜線輪廓呈高斯線型：P（u）du二二匹exp（-Mc2J。丄du（3）u2兀kTI2kTu2丿0、07這就是多普勒展寬的基本原理。飽和吸收：考慮一個(gè)兩能級(jí)系統(tǒng)（能級(jí)差為AE），低能級(jí)粒子數(shù)y與高能級(jí)粒子數(shù)N2之間存在如下關(guān)系：4）N_1N+N_2+Abp（v）112其中，A為自發(fā)輻射系數(shù)，B為受激輻射或受激吸收系數(shù)，pC）為輻射場(chǎng)的能量密度。根據(jù)Boltzmann分布理論，正常情況下大部分粒子處于低能級(jí)而只有少量粒子處于高能級(jí)，低能級(jí)粒子吸收光子躍遷到高能級(jí)就是正常吸收過程。如果系統(tǒng)

5、受到頻率u_AEh強(qiáng)光（泵浦光）照射，則BpG）A，根據(jù)公00式（4）知道此時(shí)處于高能級(jí)和低能級(jí)的粒子數(shù)近似相等，我們稱這個(gè)狀態(tài)為飽和狀態(tài)。在飽和狀態(tài)下，粒子對(duì)頻率為u的光的吸收系數(shù)會(huì)大大降低，此時(shí)如果0用另一束弱激光照射粒子，則頻率u處透射光將變強(qiáng)，形成一個(gè)反向的小峰（如0圖1中箭頭所示），也稱為蘭姆凹陷。蘭姆凹陷的寬度與自然線寬相當(dāng)，比多普勒線寬要窄12個(gè)數(shù)量級(jí)。因此當(dāng)有多條譜線相互重疊，又由于多普勒增寬而無(wú)法分辨時(shí)，可利用飽和吸收光譜對(duì)這些重疊譜線實(shí)現(xiàn)高分辨測(cè)量。圖1飽和吸收光譜在實(shí)驗(yàn)中，通常僅使用一個(gè)激光光源，將其分束為一弱探測(cè)光和一強(qiáng)泵浦光,以相反方向入射到樣品池中，根據(jù)公式(1)此

6、時(shí)對(duì)于運(yùn)動(dòng)粒子v而言探測(cè)光和泵浦光的頻率分別為:probVpump=u0=u0(5)交叉共振：當(dāng)存在多能級(jí)時(shí)，除了正常的飽和吸收峰外，還會(huì)形成交叉共振吸收峰。考慮如圖2(a)所示的三能級(jí)系統(tǒng)，其正常的飽和吸收峰中心將分別出現(xiàn)在u和u處，此外在u=6+u)2還將出現(xiàn)交叉共振吸收峰。因?yàn)閷?duì)12012(u-V)于速度v=CT2的粒子，根據(jù)公式(5)探測(cè)光和泵浦光的頻率將分別移e+u丿、12丿至V和V處，這樣泵浦光就可以改變?cè)撍俣认碌牧Ｗ訑?shù)，使探測(cè)光吸收減小。12(a)(b)圖2三能級(jí)結(jié)構(gòu)（a）及其飽和吸收光譜（b）2、LD調(diào)制飽和吸收光譜測(cè)量原理測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。LD的發(fā)光波長(zhǎng)可由溫度和驅(qū)動(dòng)電

7、流來(lái)調(diào)節(jié)，它將隨著溫度的升高和驅(qū)動(dòng)電流的增大而超長(zhǎng)波方向移動(dòng)，在極限情況下其波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍不大（約十幾納米），所以事先需要選擇室溫狀態(tài)下波長(zhǎng)在所測(cè)譜線附近的LD作為光源。在實(shí)際應(yīng)用中，通常先讓LD穩(wěn)定在某一個(gè)溫度，然后將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的低頻（約100Hz）鋸齒波信號(hào)加載在LD電流驅(qū)動(dòng)器上，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的小范圍掃描以得到待測(cè)樣品的光譜。準(zhǔn)直后的LD激光束被分束鏡（半反半透）分成和兩束光。光束作為泵浦光，入射到Rb原子池中，激發(fā)Rb原子使其達(dá)到飽和狀態(tài)；它從Rb原子池出射后再經(jīng)楔形板弱反射，形成一束弱探測(cè)光，探測(cè)光入射到Rb原子池探測(cè)Rb原子的飽和吸收光譜；透過Rb原子池的探測(cè)光信號(hào)再經(jīng)合適的反射鏡

8、反射后被光電探測(cè)器A接收。光束經(jīng)過F-P標(biāo)準(zhǔn)具后，被光電探測(cè)器B接收，用于波長(zhǎng)定標(biāo)。通過示波器檢測(cè)到的模擬信號(hào)可轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)中做進(jìn)一步的分析和處理。四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、按照儀器上給出的參考溫度和電流值，調(diào)節(jié)LD溫度控制器和電流驅(qū)動(dòng)器，使LD發(fā)光波長(zhǎng)調(diào)諧到794nm附近。2、根據(jù)檢測(cè)原理，利用所提供的光學(xué)器件構(gòu)建合適的光路，然后通過信號(hào)發(fā)生器輸入鋸齒波到LD電流驅(qū)動(dòng)器上以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)掃描，由此測(cè)出Rb原子的飽和吸收光譜，并同時(shí)記錄F-P標(biāo)準(zhǔn)具的干涉圖譜。（注：需要針對(duì)兩個(gè)Rb原子池分別測(cè)量光譜）3、調(diào)節(jié)可調(diào)光衰減片，觀察飽和吸收光譜隨泵浦光強(qiáng)的變化，并進(jìn)行總結(jié)。4、測(cè)量飽和吸收光譜中的蘭姆凹陷

9、寬度，與多普勒線寬進(jìn)行比較。5、計(jì)算85Rb原子52P/2態(tài)的能級(jí)分裂大小。圖3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖五注意事項(xiàng)1、實(shí)驗(yàn)中使用794nm的LD作為光源，要避免光束（特別是未經(jīng)衰減的光束）直射入或反射到人眼中，所以實(shí)驗(yàn)中要注意控制無(wú)用的反射或透射光束的方向，請(qǐng)采用俯視的方式進(jìn)行光路調(diào)節(jié)，嚴(yán)禁采用平視的方式進(jìn)行觀察和調(diào)節(jié)。2、兩組同學(xué)被安排在同一光學(xué)平臺(tái)上，要特別注意不能讓強(qiáng)光束直接射到另一組同學(xué)的工作區(qū)域，因?yàn)閷?duì)方通常會(huì)不知道光束的去向，很容易受到傷害。3、當(dāng)溫度已經(jīng)在參考溫度附近穩(wěn)定下來(lái)后，如果沒有掃描出光譜，請(qǐng)不要隨意調(diào)節(jié)LD溫度控制器，因?yàn)闇囟确€(wěn)定需要時(shí)間，此時(shí)可調(diào)節(jié)LD電流驅(qū)動(dòng)器。4、注意避免光

10、路中相鄰鏡面呈平行狀，因?yàn)檫@樣容易形成干涉，對(duì)最終的信號(hào)產(chǎn)生干擾。5、注意避免探測(cè)器信號(hào)過飽和，如果信號(hào)過飽和則無(wú)法得到正確的數(shù)據(jù)。6、F-P標(biāo)準(zhǔn)具的調(diào)節(jié)需非常細(xì)心，否則不能得到好的干涉信號(hào)。7、在使用Rb原子池時(shí)要特別小心，千萬(wàn)不要將其打破，因?yàn)榻饘賀b暴露在空氣中容易燃燒，而且Rb原子池本身比較昂貴。8、信號(hào)發(fā)生器由兩組共用，所以不要輕易改變其輸出波形，因?yàn)檫@樣會(huì)影響到另一組的測(cè)量信號(hào)。9、注意應(yīng)該使泵浦光較強(qiáng)，而探測(cè)光較弱，否則無(wú)法探測(cè)到飽和吸收光譜。六.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析（一）飽和吸收光譜說(shuō)明：實(shí)驗(yàn)中，在已確保FP標(biāo)準(zhǔn)具端面與光束垂直的情況下，經(jīng)多番嘗試，從各個(gè)角度，以及距離探測(cè)器不同的距

11、離，加之打在探測(cè)器上不同位置，F(xiàn)P標(biāo)準(zhǔn)具均無(wú)法調(diào)出較大（光強(qiáng)太大，易于飽和）而均勻的正弦波圖樣，已獲得楊青老師及助教武劍學(xué)長(zhǎng)的批準(zhǔn)，使用之前高分辨率實(shí)驗(yàn)中得到的標(biāo)準(zhǔn)具圖樣做標(biāo)尺，取直流。一種同位素87Rb：4.oouplin靳5.5E-1WdVirhOEQsAl祝points,Averaoemode（橫向單位長(zhǎng)度相同，均為1.0E-3s/div,可以使用，已對(duì)齊）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：如圖，可以看到87Rb有四個(gè)飽和吸收峰。每一飽和吸收峰處都可以看到清晰的蘭姆凹陷（如圖中紅箭頭所指），飽和吸收峰2、3之間有輕微的交叉共振現(xiàn)象。誤差：干擾較大，光譜基線有較大波動(dòng)，幾乎使第三個(gè)吸收峰無(wú)法辨別。兩種同位素85R

12、b87Rb（橫向單位長(zhǎng)度相同，均為10E-3s/div,可以使用，已對(duì)齊）初步結(jié)論：1.如圖，可以看到85Rb和87Rb有六個(gè)飽和吸收峰。每一飽和吸收峰處都可以看到清晰的蘭姆凹陷（如圖中紅箭頭所指）。2如圖，吸收峰3、4由于其中兩峰靠得很近，出現(xiàn)了交叉共振峰。誤差：a.干擾較強(qiáng)，光譜基線有較大波動(dòng).b.第五個(gè)吸收峰較小，且其蘭姆凹陷幾乎無(wú)法辨別。（二）飽和吸收光譜中的蘭姆凹陷寬度1.一種同位素85Rb：由實(shí)驗(yàn)一原理：自由光譜范圍Avfsrc_cA2nlcos93x108m/s2x1.51x10mmx1=9.9338x108Hz在示波器上顯示的結(jié)果，峰峰值橫坐標(biāo)采集：峰（s）峰（s）自由光譜范圍

13、2.94E-033.38E-030.0004483.38E-033.80E-030.0004123.80E-034.21E-030.0004164.21E-034.60E-030.0003884.60E-035.00E-030.0003965.00E-035.36E-030.0003685.36E-035.74E-030.0003725.74E-036.11E-030.0003726.11E-036.49E-030.000386.49E-036.87E-030.000386.87E-037.23E-030.00036自由光譜范圍（s）（均值）0.000390182蘭姆凹陷：蘭姆凹陷序號(hào)蘭姆凹陷

14、左側(cè)（s）蘭姆凹陷右側(cè)（s）蘭姆凹陷寬度（s）蘭姆凹陷寬度（Hz）3.86E-033.95E-039.2E-052.34E+084.23E-034.36E-030.0001283.26E+087.16E-037.28E-030.000123.06E+087.58E-037.69E-030.0001082.75E+08結(jié)論：結(jié)合實(shí)驗(yàn)一結(jié)論，由此可以看出，蘭姆凹陷的寬度與自然線寬相當(dāng)，比多普勒線寬要窄12個(gè)數(shù)量級(jí)。2.兩種同位素85Rb87Rb（由于使用同一標(biāo)準(zhǔn)具的圖樣，在此分析同上）由實(shí)驗(yàn)一原理：自由光譜范圍AvfsrccA2nlcos93x108m/s2x1.51x10mmx1=9.9338x

15、108Hz在示波器上顯示的結(jié)果，峰峰值橫坐標(biāo)采集：峰（s）峰（s）自由光譜范圍2.94E-033.38E-030.0004483.38E-033.80E-030.0004123.80E-034.21E-030.0004164.21E-034.60E-030.0003884.60E-035.00E-030.0003965.00E-035.36E-030.0003685.36E-035.74E-030.0003725.74E-036.11E-030.0003726.11E-036.49E-030.000386.49E-036.87E-030.000386.87E-037.23E-030.00036

16、自由光譜范圍(s)(均值)0.000390182蘭姆凹陷:蘭姆凹陷序號(hào)蘭姆凹陷左側(cè)(s)蘭姆凹陷右側(cè)(s)蘭姆凹陷寬度(s)蘭姆凹陷寬度(Hz)3.53E-033.63E-031.00E-042.546E+083.96E-034.04E-038.00E-052.037E+084.30E-034.38E-038E-052.04E+084.48E-034.57E-039E-052.29E+085.88E-035.98E-031.00E-042.55E+085.98E-036.06E-038.40E-052.139E+086.72E-036.76E-033.60E-059.165E+077.27E-

17、037.39E-031.20E-043.055E+08結(jié)論：結(jié)合實(shí)驗(yàn)一結(jié)論，由此可以看出，蘭姆凹陷的寬度與自然線寬相當(dāng)，比多普勒線寬要窄12個(gè)數(shù)量級(jí)。4?Rb11362MHzSSl-2；794.9fimn3D36XJHza7Rb（三）原子態(tài)的能級(jí)分裂大小吸收峰（s）吸收峰（s）吸收峰中心距（s）能級(jí)分裂（Hz）能級(jí)分裂理論值（Hz）87Rb3.90E-034.30E-030.00041.02E+098.15E+0885Rb4.37E034.51E-031.850E-044.07E+083.62E+08（四）飽和吸收光譜隨泵浦光強(qiáng)的變化當(dāng)泵浦光強(qiáng)度在大于飽和光強(qiáng)時(shí)，吸收光譜飽和，光強(qiáng)越大，蘭姆凹陷越明顯，且反轉(zhuǎn)吸收峰會(huì)因此而減小。當(dāng)泵浦光強(qiáng)度在小于飽和光強(qiáng)時(shí)，吸收光譜的反轉(zhuǎn)峰隨泵浦