Rb原子饱和吸收的光谱测量

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（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。三实验原理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。 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。 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12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） 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，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)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激光束被分束镜（半反半透）分成和两束光。光束作为泵浦光，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，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。光束经过F-P标准具后，被光电探测器B接收，用于波长定标。通过示波器检测到的模拟信号可转化为数字信号送入计算机中做进一步的分析和处理。四实验内容1、按照仪器上给出的参考温度和电流值，调节LD温度控制器和电流驱动器，使LD发光波长调谐到794 nm附近。2、根据检测原理，利用所提供的光学器件构建合适的光路，然后通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原子的饱和吸收光谱，并同时记录F-P标准具的干涉图谱。（注：需要针对两个Rb原子池分别测量光谱）3、调节可调光衰减片，观察饱和吸收光谱随泵浦光强的变化，并进行总结。4、测量饱和吸收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。电流驱动器信号发生器激光二极管温度控制器准直透镜Rb原子样品池F-P标准具光电探测器B示波器CH1 CH2计算机楔形板光电探测器A分束镜图3 系统结构示意图五注意事项1、实验中使用794 nm的LD作为光源，要避免光束（特别是未经衰减的光束）直射入或反射到人眼中，所以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节，严禁采用平视的方式进行观察和调节。2、两组同学被安排在同一光学平台上，要特别注意不能让强光束直接射到另一组同学的工作区域，因为对方通常会不知道光束的去向，很容易受到伤害。3、当温度已经在参考温度附近稳定下来后，如果没有扫描出光谱，请不要随意调节LD温度控制器，因为温度稳定需要时间，此时可调节LD电流驱动器。4、注意避免光路中相邻镜面呈平行状，因为这样容易形成干涉，对最终的信号产生干扰。5、注意避免探测器信号过饱和，如果信号过饱和则无法得到正确的数据。6、F-P标准具的调节需非常细心，否则不能得到好的干涉信号。7、在使用Rb原子池时要特别小心，千万不要将其打破，因为金属Rb暴露在空气中容易燃烧，而且Rb原子池本身比较昂贵。8、信号发生器由两组共用，所以不要轻易改变其输出波形，因为这样会影响到另一组的测量信号。9、注意应该使泵浦光较强，而探测光较弱，否则无法探测到饱和吸收光谱。六 实验结果及分析（一）饱和吸收光谱说明：实验中，在已确保FP标准具端面与光束垂直的情况下，经多番尝试，从各个角度，以及距离探测器不同的距离，加之打在探测器上不同位置，FP标准具均无法调出较大（光强太大，易于饱和）而均匀的正弦波图样，已获得杨青老师及助教武剑学长的批准，使用之前高分辨率实验中得到的标准具图样做标尺，取直流。1.一种同位素87Rb：123自由光谱范围（横向单位长度相同，均为1.0E-3s/div，可以使用，已对齐）实验结论：如图，可以看到87Rb有四个饱和吸收峰。每一饱和吸收峰处都可以看到清晰的兰姆凹陷（如图中红箭头所指），饱和吸收峰2、3之间有轻微的交叉共振现象。误差： 干扰较大，光谱基线有较大波动，几乎使第三个吸收峰无法辨别。2.两种同位素 85Rb 87Rb215643兰姆凹陷（横向单位长度相同，均为1.0E-3s/div，可以使用，已对齐）初步结论：1.如图，可以看到85Rb和87Rb有六个饱和吸收峰。每一饱和吸收峰处都可以看到清晰的兰姆凹陷（如图中红箭头所指）。2.如图，吸收峰3、4由于其中两峰靠得很近，出现了交叉共振峰。 误差：a. 干扰较强，光谱基线有较大波动.b. 第五个吸收峰较小，且其兰姆凹陷几乎无法辨别。（二） 饱和吸收光谱中的兰姆凹陷宽度1.一种同位素85Rb：由实验一原理：自由光谱范围在示波器上显示的结果，峰峰值横坐标采集：峰（s）峰（s）自由光谱范围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自由光谱范围（s）(均值)0.000390182兰姆凹陷：兰姆凹陷序号兰姆凹陷左侧（s）兰姆凹陷右侧（s）兰姆凹陷宽度（s）兰姆凹陷宽度（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结论：结合实验一结论，由此可以看出，兰姆凹陷的宽度与自然线宽相当，比多普勒线宽要窄12个数量级。2. 两种同位素 85Rb 87Rb（由于使用同一标准具的图样，在此分析同上） 由实验一原理：自由光谱范围在示波器上显示的结果，峰峰值横坐标采集：峰（s）峰（s）自由光谱范围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自由光谱范围（s）(均值)0.000390182 兰姆凹陷：兰姆凹陷序号兰姆凹陷左侧（s）兰姆凹陷右侧（s）兰姆凹陷宽度（s）兰姆凹陷宽度（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-037.39E-031.20E-043.055E+08结论：结合实验一结论，由此可以看出，兰姆凹陷的宽度与自然线宽相当，比多普勒线宽要窄12个数量级。（三）原子52P1/2态的能级分裂大小吸收峰（s）吸收峰(s)吸收峰中心距（s）能级分裂（Hz）能级分裂理论值（Hz）87Rb3.90E-034.30E-030.00041.02E+098.15E+0885Rb4.37E-034.51E-031.850E-044.07E+083.62E+08（四）饱和吸收光谱随泵浦光强的变化 当泵浦光强度在大于饱和光强时，吸收光谱饱和，光强越大，兰姆凹陷越明显，且反转吸收峰会因此而减小。 当泵浦光强度在小于饱和光强时，吸收光谱的反转峰随泵浦光强的增大而幅度增大，随泵浦光强的减小而逐渐消失。七心得体会及误差分析实验原理上并不复杂，但需要耐心调整光路，尤其是在调整F-P标准具的光路时，要注意使得光线尽可能垂直于F-P标准具端面。另外，由于探测器非常灵敏，为避免饱和，应注意不要使得光线直接入射，可以在光路中加入滤镜以提供一定的衰减。实验中，由于反射激光束周围存在其他非期望光线的干扰，导致兰姆凹陷处示波器显示跳动，不利于兰姆凹陷的观察分析以及交叉共振峰观察，并为谱线分裂程度的计算造成了误差。总之，在实验效果不理想的情况下，应该进行各种不违背原理的调试，以期实现误差及干扰的减小。