试验指导书饱和吸收光谱试验

饱和吸取光谱实验[实验目的]1、认识饱和吸取光谱的基本源理；2、掌握鉴于LD调制的Rb原子饱和吸取光谱的测量方法；3、经过光谱分析理解饱和吸取光谱的去多普勒特点。[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；8787853、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、饱和吸取原理饱和吸取光谱是一种获得除去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），今后被应用到激光冷却捕获原子和Bose-Einstein凝集实验中，后两者的研究成就也分别在1997年和2001年获得诺贝尔奖。因此可知，饱和吸取光谱是一种特别适用的光谱技术。①多普勒展宽：当粒子相关于探测光束0以速度v（正号表示粒子运动方向与光束流传方向相同，负号反之）运动时，探测器接收到的实质频次为：v（1）01c其中c为光速。在热平衡条件下，粒子运动速度遵照Maxwell-Boltzmann散布：1PvvMMv2d（）d2kTexpv22kT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），简单知道由于多普勒效应使得谱线轮廓呈高斯线型：cMMc220d（3）Pd2kTexp202kT0这就是多普勒展宽的基本源理。②饱和吸取：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之间存在以下关系：N21（4）N1N22AB其中，A为自觉辐射系数，B为受激辐射或受激吸取系数，为辐射场的能量密度。依照Boltzmann散布理论，正常情况下大多数粒子处于低能级而只有少量粒子处于高能级，低能级粒子吸取光子跃迁到高能级就是正常吸取过程。若是系统碰到频次0Eh强光（泵浦光）照射，则B0A，依照公式（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，粒子对频次为0的光的吸取系数会大大降低，此时若是用另一束弱激光照射粒子，则频次0处透射光将变强，形成一个反向的小峰（如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，可利用饱和吸取光谱对这些重叠谱线实现高分辨测量。图1饱和吸取光谱2在实验中，平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，依照公式（1）此时关于运动粒子v而言探测光和泵浦光的频次分别为：prob0pump0

v1c（5）vc③交叉共振：当存在多能级时，除了正常的饱和吸取峰外，还会形成交叉共振吸取峰。考虑如图2（a）所示的三能级系统，其正常的饱和吸取峰中心将分别出现在1和2处，其余在0122还将出现交叉共振吸取峰。由于对于速度vc12的粒子，依照公式（5）探测光和泵浦光的频次将分别移21和2处，这样泵浦光就能够改变该速度下的粒子数，使探测光吸取减小。PunpoffCrossresonancePunpon21h1h20Directresonances(a)(b)图2三能级构造（a）及其饱和吸取光谱（b）2、LD调制饱和吸取光谱测量原理测量系统构造如图3所示。LD的发光波长可由温度和驱动电流来调治，它将随着温度的高升和驱动电流的增大而超长波方向搬动，在极限情况下其波长调治范围不大（约十几纳米），因此起初需要选择室温状态下波长在所测谱线周边的LD作为光源。在实质应用3中，平常先让LD牢固在某一个温度，尔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，进而实现波长的小范围扫描以获得待测样品的光谱。准直后的LD激光束①被分束镜（半反半透）分红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Rb原子的饱和吸取光谱；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。经过示波器检测到的模拟信号可转变为数字信号送入计算机中做进一步的分析和办理。光电探测器A温度控制器准直①Rb原子楔电流激光④驱动器二极管透镜②样品池形板③分束镜F-P信号标发生器准具示波器光电探测器B计算机CH2CH1图3系统构造表示图[实验内容]1、依照仪器上给出的参照温度和电流值，调治LD温度控制器和电流驱动器，使LD发光波长调谐到794nm周边。42、依照检测原理，利用所供应的光学器件建立合适的光路，尔后经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原子的饱和吸取光谱，并同时记录F-P标准具的干预图谱。（注：需要针对两个Rb原子池分别测量光谱）3、调治可调光衰减片，察看饱和吸取光谱随泵浦光强的变化，并进行总结。4、测量饱和吸取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794nm的LD作为光源，要防范光束（特别是未经衰减的光束）直射入或反射到人眼中，因此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治，严禁采用平视的方式进行察看和调治。2、两组同学被安排在同一光学平台上，要特别注意不能够让强光束直接射到另一组同学的工作地区，由于对方平常会不知道光束的去处，很简单碰到伤害。3、当温度已经在参照温度周边牢固下来后，若是没有扫描出光谱，请不要任意调治LD温度控制器，由于温度牢固需要时间，此时可调治LD电流驱动器。4、注意防范光路中相邻镜面呈平行状，由于这样简单形成干预，对最后的信号产生搅乱。5、注意防范探测器信号过饱和，若是信号过饱和则无法获得正确的数据。6、F-P标准具的调治需特别仔细，否则不能够获得好的干预信号。7、在使用Rb原子池时要特别小心，千万不要将其打破，由于金属Rb裸露在空气中简单焚烧，而且Rb原子池自己比较昂贵。8、信号发生器由两组共用，因此不要轻易改变其输出波形，由于这样会影响到另一组的测量信号。9、注意应当使泵浦光较强，而探测光较弱，否则无法探测到饱和吸取光谱。5内容总结

（1）饱和吸取光谱实验

[实验目的]

1、认识饱和吸取光谱的基本源理

（2）饱和吸取光