Спектроскопия насыщенного поглощения измеряет частоту перехода атома или молекулы между его основным состоянием и возбужденным состоянием . В спектроскопии насыщенного поглощения два встречных, перекрывающихся лазерных луча посылаются через образец атомарного газа. Один из лучей стимулирует испускание фотонов в возбужденных атомах или молекулах, когда частота лазера совпадает с частотой перехода. Изменяя частоту лазера до тех пор, пока не появятся эти дополнительные фотоны, можно найти точную частоту перехода. Этот метод позволяет проводить точные измерения при комнатной температуре, поскольку он нечувствителен к доплеровскому уширению . Спектроскопия поглощения измеряет доплеровски уширенный переход, поэтому атомы должны быть охлаждены до температур милликельвина, чтобы достичь той же чувствительности, что и спектроскопия насыщенного поглощения.
Для преодоления проблемы доплеровского уширения без охлаждения образца до температур милликельвина используется классическая схема накачки–зонда. Лазер с относительно высокой интенсивностью посылается через атомный пар, известный как пучок накачки. Другой встречный слабый пучок также посылается через атомы на той же частоте, известный как зондирующий пучок. Поглощение зондирующего луча регистрируется на фотодиоде для различных частот пучков.
Хотя два луча находятся на одной частоте, они адресуются к разным атомам из-за естественного теплового движения . Если лучи расстроены в красную сторону относительно частоты атомного перехода, то накачивающий луч будет поглощаться атомами, движущимися к источнику луча, в то время как зондирующий луч будет поглощаться атомами, движущимися от этого источника с той же скоростью в противоположном направлении. Если лучи расстроены в синюю сторону, происходит обратное.
Однако, если лазер находится приблизительно в резонансе, эти два луча адресуются к одним и тем же атомам, с векторами скорости, почти перпендикулярными направлению распространения лазера. В двухуровневом приближении атомного перехода сильный накачивающий луч приведет к тому, что многие атомы будут находиться в возбужденном состоянии; когда число атомов в основном и возбужденном состоянии приблизительно равно, переход считается насыщенным. Когда фотон из зондирующего луча проходит через атомы, есть большая вероятность того, что, если он столкнется с атомом, атом будет находиться в возбужденном состоянии и, таким образом, подвергнется вынужденному излучению , при этом фотон пройдет через образец. Таким образом, по мере того, как частота лазера проходит через резонанс, небольшой провал в функции поглощения будет наблюдаться при каждом атомном переходе (обычно сверхтонкие резонансы ). Чем сильнее накачивающий луч, тем шире и глубже становятся провалы в гауссовой доплеровской уширенной функции поглощения. В идеальных условиях ширина провала может приближаться к естественной ширине линии перехода. [1]
Следствием этого метода встречных лучей в системе с более чем двумя состояниями является наличие линий пересечения. Когда два перехода находятся в пределах одной доплеровски уширенной особенности и имеют общее основное состояние, может возникнуть пик пересечения на частоте точно между двумя переходами. Это является результатом того, что движущиеся атомы видят, что накачивающий и зондирующий лучи резонируют с двумя отдельными переходами. Накачивающий луч может вызвать депопуляцию основного состояния, насыщая один переход, в то время как зондирующий луч находит гораздо меньше атомов в основном состоянии из-за этого насыщения, и его поглощение падает. Эти пики пересечения могут быть довольно сильными, часто сильнее основных пиков насыщенного поглощения. [1]
Согласно описанию атома, взаимодействующего с электромагнитным полем , поглощение света атомом зависит от частоты падающих фотонов. Точнее, поглощение характеризуется лоренцианом шириной Γ/2 (для справки, Γ ≈ 2π × 6 МГц для обычных переходов D-линии рубидия [2] ). Если у нас есть ячейка атомного пара при комнатной температуре, то распределение скоростей будет следовать распределению Максвелла-Больцмана
где - число атомов, - постоянная Больцмана , - масса атома. Согласно формуле эффекта Доплера в случае нерелятивистских скоростей,
где - частота атомного перехода, когда атом находится в состоянии покоя (тот, который зондируется). Значение как функция и может быть введено в распределение скоростей. Распределение поглощения как функция пульсации будет, таким образом, пропорционально гауссову с полной шириной на половине максимума
Для атома рубидия при комнатной температуре [3]
Поэтому без каких-либо специальных ухищрений в экспериментальной установке, исследующей максимум поглощения атомного пара, неопределенность измерения будет ограничена доплеровским уширением, а не фундаментальной шириной резонанса.
Поскольку накачка и зондирующий луч должны иметь одинаковую частоту, наиболее удобным решением будет, чтобы они исходили от одного и того же лазера. Зондирующий луч может быть сделан из отражения накачки, пропущенного через фильтр нейтральной плотности для уменьшения его интенсивности. Для точной настройки частоты лазера можно использовать диодный лазер с пьезоэлектрическим преобразователем , который управляет длиной волны резонатора. Из-за шума фотодиода частота лазера может быть пройдена через переход, а показания фотодиода усреднены по многим прогонам.
В реальных атомах иногда имеется более двух соответствующих переходов в пределах доплеровского профиля образца (например, в щелочных атомах со сверхтонкими взаимодействиями ). Это приведет к появлению других провалов в характеристике поглощения из-за этих новых резонансов в дополнение к перекрестным резонансам.
