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如何利用780nm DFB測(cè)試Rb飽和吸收光譜?

更新時(shí)間:2025-04-09點(diǎn)擊次數(shù):391

飽和吸收光譜(Saturated Absorption Spectroscopy, SAS)作為突破多普勒展寬限制的高分辨率光譜技術(shù),在原子分子物理、精密測(cè)量等領(lǐng)域具有重要價(jià)值。本文簡要闡述了飽和吸收光譜的工作原理、以及我們?nèi)绾问褂?80nm DFB掃出 85Rb的飽和吸收光譜。



什么是原子吸收光譜?當(dāng)入射光波長與原子基態(tài)到激發(fā)態(tài)躍遷能量匹配時(shí),原子外層電子吸收光子能量發(fā)生躍遷,導(dǎo)致入射光強(qiáng)度顯著衰減,形成吸收峰。該過程遵循量子力學(xué)選擇定則,僅允許特定能級(jí)間的躍遷。




如何利用780nm DFB測(cè)試Rb飽和吸收光譜?



原子吸收峰并非嚴(yán)格單色,其半高寬受以下因素影響:


?自然展寬?(10-5 nm量級(jí)):由激發(fā)態(tài)有限壽命導(dǎo)致的能量不確定性,符合海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理。


?多普勒展寬?(10-4 ~ 10-3 nm量級(jí)):原子熱運(yùn)動(dòng)引發(fā)波長偏移,使得原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)被掩蓋,無法觀察。例如,室溫下銣原子的多普勒展寬可達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz?。


多普勒展寬影響了我們對(duì)原子精細(xì)結(jié)構(gòu)的探測(cè)。因此,人們提出了飽和吸收光譜這種解決方案,可以克服多普勒展寬對(duì)原子光譜的影響。


我們的飽和吸收光譜光路結(jié)構(gòu)圖如下所示。首先,采用780nm的DFB作為光源,結(jié)合任意波形發(fā)生器(AFG)的鋸齒波調(diào)制進(jìn)行電流調(diào)制掃頻,確保激光的頻率可以掃過85Rb的D2線。然后,通過1/2波片和PBS的組合,將光束一分為二,同時(shí)控制兩束光的功率比例。一般來說,pump光的功率要遠(yuǎn)大于probe光。通過控制一對(duì)反射鏡,讓pump光正好反向打回Rb原子氣室,和probe光全共線。probe光則正向通過氣室,穿過PBS,由PD采集電壓信號(hào)。



如何利用780nm DFB測(cè)試Rb飽和吸收光譜?

最終,我們可以在示波器上看到85Rb的飽和吸收信號(hào)。

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85Rb F=3躍遷至F’=2,3,4與交叉峰局部放大圖


如何利用780nm DFB測(cè)試Rb飽和吸收光譜?



85Rb飽和吸收信號(hào)




設(shè)備介紹:

如何利用780nm DFB測(cè)試Rb飽和吸收光譜?



AFG:任意函數(shù)發(fā)生器,是一種能生成任意波形的信號(hào)源。我們使用的設(shè)備是TEKAFG31052,利用它生成鋸齒波。


780nm DFB這是一種基于分布反饋(DFB)結(jié)構(gòu)的窄線寬半導(dǎo)體激光器,其中心波長為780nm,通過調(diào)制它的泵浦電流就可以實(shí)現(xiàn)掃頻,廣泛應(yīng)用于銣原子量子計(jì)算、原子重力儀及精密測(cè)距等領(lǐng)域。


1/2波片又叫半波片,是一種基于雙折射原理的光學(xué)相位延遲片,可以對(duì)線偏光的偏振態(tài)進(jìn)行控制,廣泛應(yīng)用于激光偏振調(diào)控、光通信及量子光學(xué)領(lǐng)域?。


PBS:偏振分束器,是一種基于雙折射或介質(zhì)膜干涉原理的光學(xué)元件,能夠?qū)⑷肷涔獍雌駪B(tài)正交分離為透射的P偏振光與反射的S偏振光,消光比可達(dá)1000:1以上,配合1/2波片控制入射光的偏振態(tài),可以調(diào)控分出兩束正交光的功率比例。


85Rb氣室:裝有85Rb的密封玻璃氣室,對(duì)氣室加熱至60℃左右,確保氣室內(nèi)的Rb不凝固在玻璃上。


反射鏡:需要一對(duì)反射鏡,才能確保pump光可以和probe光共線反向。


PD:光電探測(cè)器,將光功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并實(shí)時(shí)輸出。





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