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，僅允許特定能級間的躍遷。
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）：由激發(fā)態(tài)有限壽命導(dǎo)致的能量不確定性，符合海森堡測不準(zhǔn)原理。
?多普勒展寬?（10-4 ~ 10-3 nm量級）：原子熱運(yùn)動引發(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原子精細(xì)結(jié)構(gòu)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(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。
最終，我們可以在示波器上看到85Rb的飽和吸收信號。
85Rb F=3躍遷至F’=2，3，4與交叉峰局部放大圖
85Rb飽和吸收信號
設(shè)備介紹：
AFG:任意函數(shù)發(fā)生器，是一種能生成任意波形的信號源。我們使用的設(shè)備是TEK的AFG31052，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(zhuǎn)換為電壓信號并實(shí)時(shí)輸出。
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