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如何利用780nm DFB測試Rb飽和吸收光譜?

閱讀:620      發布時間:2025-4-9
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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,在原子分子物理、精密測量等領域具有重要價值。本文簡要闡述了飽和吸收光譜的工作原理、以及我們如何使用780nm DFB掃出 85Rb的飽和吸收光譜。



什么是原子吸收光譜?當入射光波長與原子基態到激發態躍遷能量匹配時,原子外層電子吸收光子能量發生躍遷,導致入射光強度顯著衰減,形成吸收峰。該過程遵循量子力學選擇定則,僅允許特定能級間的躍遷。




如何利用780nm DFB測試Rb飽和吸收光譜?



原子吸收峰并非嚴格單色,其半高寬受以下因素影響:


?自然展寬?(10-5 nm量級):由激發態有限壽命導致的能量不確定性,符合海森堡測不準原理。


?多普勒展寬?(10-4 ~ 10-3 nm量級):原子熱運動引發波長偏移,使得原子的精細結構被掩蓋,無法觀察。例如,室溫下銣原子的多普勒展寬可達數百MHz?。


多普勒展寬影響了我們對原子精細結構的探測。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原子光譜的影響。


我們的飽和吸收光譜光路結構圖如下所示。首先,采用780nm的DFB作為光源,結合任意波形發生器(AFG)的鋸齒波調制進行電流調制掃頻,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,同時控制兩束光的功率比例。一般來說,pump光的功率要遠大于probe光。通過控制一對反射鏡,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。



如何利用780nm DFB測試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。

如何利用780nm DFB測試Rb飽和吸收光譜?

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測試Rb飽和吸收光譜?



85Rb飽和吸收信號




設備介紹:

如何利用780nm DFB測試Rb飽和吸收光譜?



AFG:任意函數發生器,是一種能生成任意波形的信號源。我們使用的設備是TEKAFG31052,利用它生成鋸齒波。


780nm DFB這是一種基于分布反饋(DFB)結構的窄線寬半導體激光器,其中心波長為780nm,通過調制它的泵浦電流就可以實現掃頻,廣泛應用于銣原子量子計算、原子重力儀及精密測距等領域。


1/2波片又叫半波片,是一種基于雙折射原理的光學相位延遲片,可以對線偏光的偏振態進行控制,廣泛應用于激光偏振調控、光通信及量子光學領域?。


PBS:偏振分束器,是一種基于雙折射或介質膜干涉原理的光學元件,能夠將入射光按偏振態正交分離為透射的P偏振光與反射的S偏振光,消光比可達1000:1以上,配合1/2波片控制入射光的偏振態,可以調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,對氣室加熱至60℃左右,確保氣室內的Rb不凝固在玻璃上。


反射鏡:需要一對反射鏡,才能確保pump光可以和probe光共線反向。


PD:光電探測器,將光功率信號轉換為電壓信號并實時輸出。





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