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:沏尸/祟本科實(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2021年4月20日沏尹品要實(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： 專業(yè)： 光電信息工程學(xué)系姓名:田靜逸學(xué)號(hào)：_3100105282_日期：_2021年4月20日_地點(diǎn)：教3-213_成績(jī)：同組學(xué)生姓名：李東宇陳安秋一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵蟊靥钊?、主要儀器設(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?、了解飽和

2、吸收光譜的根本原理；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(guò)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Laser diode, LD以及LD驅(qū)動(dòng)器和溫度限制器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)10 cm的F-P標(biāo)準(zhǔn)具1個(gè)折射率n=1.51,直徑25.4 mm;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

3、理1、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Arthur L. 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(jiàn),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 °以速度v 正號(hào)表示粒子運(yùn)動(dòng)方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)際頻率為：(1)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:Pv dvexp1,2 kT2Mv.dv2kT

4、(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 d c M exp02 kT22(3)Mc0-d2kT 0這就是多普勒展寬的根本原理. 飽和吸收：考慮一個(gè)兩能級(jí)系統(tǒng)能級(jí)差為E,低能級(jí)粒子數(shù)N1與高能級(jí)粒子數(shù)N2之間存在如下關(guān)系:(4)N21N1 N22 A B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),為輻射場(chǎng)的能量 密度.根據(jù)Boltzmann分布理論,正常情況下大局部粒子處于低能級(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(guò)程.如果系統(tǒng)受到頻率0E/h強(qiáng)光泵浦光照射,那么B 0

5、 A,根據(jù)公式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0的光的吸收系數(shù)會(huì)大大降低,此時(shí)如果 用另一束弱激光照射粒子,那么頻率0處透射光將變強(qiáng),形成一個(gè)反向的小峰如圖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：Vprob

6、 01 一(5)CV 1 pump 0C 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央將 分別出現(xiàn)在1和2處,此外在012 /2還將出現(xiàn)交叉共振吸收峰.由于對(duì)于速度v c -2的粒子,根據(jù)公式5探測(cè)光和泵浦光的頻率將分別移12至1和2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.1(a)(b)圖2三能級(jí)結(jié)構(gòu)a及其飽和吸收光譜b2、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)

7、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原子使其到達(dá)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(guò) Rb原子池的探測(cè)光信號(hào)再經(jīng)適宜的反射鏡反 射后被光電探測(cè)器A接收.光束經(jīng)過(guò)F-P標(biāo)準(zhǔn)具后,被光電探測(cè)器B接收, 用于波長(zhǎng)定

8、標(biāo).通過(guò)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、根據(jù)儀器上給出的參考溫度和電流值,調(diào)節(jié) LD溫度限制器和電流驅(qū)動(dòng)器, 使LD發(fā)光波長(zhǎng)調(diào)諧到794 nm附近.2、根據(jù)檢測(cè)原理,利用所提供的光學(xué)器件構(gòu)建適宜的光路,然后通過(guò)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)具的干預(yù)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寬度,與多普勒線寬進(jìn)行比擬.5、計(jì)算85Rb原子52P1/2態(tài)的能級(jí)分

9、裂大小.光電探 測(cè)器A圖3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖五.考前須知1、實(shí)驗(yàn)中使用794 nm的LD作為光源,要防止光束特別是未經(jīng)衰減的光束直射入或反射到人眼中,所以實(shí)驗(yàn)中要注意限制無(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,由于對(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(méi)有掃描出光譜,請(qǐng)不要隨意 調(diào)節(jié)LD溫度限制器,由于溫度穩(wěn)定需要時(shí)間,此時(shí)可調(diào)節(jié)LD電流驅(qū)動(dòng)器.4、注意防止光路中相鄰鏡面呈平行狀,由于這樣容易形成干預(yù),對(duì)最終

10、的信號(hào) 產(chǎn)生干擾.5、注意防止探測(cè)器信號(hào)過(guò)飽和,如果信號(hào)過(guò)飽和那么無(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,否那么不能得到好的干預(yù)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,由于金屬Rb暴露在空氣中容易燃燒,而且Rb原子池本身比擬昂貴.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,由于這樣會(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,否那么無(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,在已保證 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)器不同的距離,加之打在探測(cè)器上不同位置,FP標(biāo)準(zhǔn)具均

11、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.1.一種同位素87Rb:Ch1, Aq 81fp淅國(guó) 5 5E"1i QE<3 sd/ Z5Q0 2c0 AeegeCti k guying. ¥七" 1由Ybrgg.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楚的蘭姆凹陷如圖中紅箭頭所指,飽和吸收峰2、3之間有稍微的交叉 共振現(xiàn)象.誤差： 干擾較大,光譜基線有較大波動(dòng)

12、,幾乎使第三個(gè)吸收峰無(wú)法區(qū)分.2.兩種同位素85Rb87RbChlL ACicouplina 1.0E0 VJdiu. T OE-skz-div 2500 oointsrnode橫向單位長(zhǎng)度相同,均為1.0E-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 看到清楚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)法區(qū)分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cf

13、sr 一c2nl cos3 108m/s2 1.51 10mm 19.9338 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-03F 0.0004483.38E-033.80E-030.0004123.80E-034.21E-030.0004164.21E-034.60E-03F 0.0003884.60E-035.00E-031 0.0003965.00E-035.36E-030.0003685.36E-035.74E-030.0003725.74E-036.11E-030.0003726.11E-036.49E-030.000386

14、.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Hz3.86E-033.95E-039.2E-052.34E+084.23E-034.36E-030.0001283.26E+087.16E-037.28E-030.000123.06E+0817.58E-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

15、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cfsrc2nl cos3 108m/s2 1.51 10mm 19.9338 108 Hz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-030.0003726.1

16、1E-036.49E-030.000386.49E-036.87E-030.000386.87E-037.23E-030.00036自由光譜范圍(s)(均值)0.000390182liRb"r. j.RO ?4nn -E7Rb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-0319E-052.29E+085.88E-035

17、.98E-031.00E-042.55E+085.98E-036.06E-038.40E-052.139E+086.72E-036.76E-033.60E-059.165E+077.27E-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)圖1 Rb原子的能皴結(jié)枸圖三原子52P1/2態(tài)的能級(jí)分裂大小吸收峰s吸收峰s吸收峰中央距s能級(jí)分裂Hz能級(jí)分裂理論值Hz87Rb3.90E-034.30E-030.00041.02E+098.15E+0885Rb4.37E-034.51E-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)峰隨泵浦光強(qiáng)