Espectroscopia de absorção saturada - Saturated absorption spectroscopy

Na física atômica experimental , a espectroscopia de absorção saturada ou espectroscopia livre de Doppler é uma configuração que permite a determinação precisa da frequência de transição de um átomo entre seu estado fundamental e um estado opticamente excitado . A precisão com que essas frequências podem ser determinadas é, idealmente, limitada apenas pela largura do estado excitado, que é o inverso do tempo de vida desse estado. No entanto, as amostras de gás atômico que são usadas para esse propósito geralmente estão em temperatura ambiente, onde a distribuição de frequência medida é altamente ampliada devido ao efeito Doppler . Saturada de espectroscopia de absorção permite que precisa espectroscopia dos níveis atómicos sem ter de arrefecer a amostra para baixo para temperaturas às quais o alargamento Doppler não é mais relevante (o que seria da ordem de algumas millikelvins). Também é usado para travar a frequência de um laser no comprimento de onda preciso de uma transição atômica em experimentos de física atômica.

Ampliação Doppler do espectro de absorção de um átomo

De acordo com a descrição de um átomo em interação com o campo eletromagnético , a absorção de luz pelo átomo depende da frequência dos fótons incidentes. Mais precisamente, a absorção é caracterizada por um Lorentziano de largura Γ / 2 (para referência, Γ ≈ 2π × 6 MHz para transições de linha D de Rubídio comuns ). Se tivermos uma célula de vapor atômico em temperatura ambiente, a distribuição de velocidade seguirá uma distribuição de Maxwell-Boltzmann

onde é o número de átomos, é a constante de Boltzmann e é a massa do átomo. De acordo com a fórmula do efeito Doppler no caso de velocidades não relativísticas,

onde é a frequência da transição atômica quando o átomo está em repouso (aquele que está sendo sondado). O valor de como função de e pode ser inserido na distribuição de velocidades. A distribuição da absorção em função da pulsação será, portanto, proporcional a um Gaussiano com largura total na metade do máximo

Para um átomo de rubídio em temperatura ambiente,

Portanto, sem nenhum truque especial na configuração experimental sondando o máximo de absorção de um vapor atômico, a incerteza da medição será limitada pelo alargamento Doppler e não pela largura fundamental da ressonância.

Princípio da espectroscopia de absorção saturada

Para superar o problema de alargamento Doppler sem resfriar a amostra a temperaturas de milikelvin, um clássico - e bastante geral - esquema de bomba-sonda é usado. Um laser de intensidade relativamente alta é enviado através do vapor atômico, conhecido como feixe de bombeamento. Outro feixe fraco de contra-propagação também é enviado através dos átomos na mesma frequência, conhecido como feixe de prova. A absorção do feixe de prova é registrada em um fotodiodo para várias frequências dos feixes.

Embora os dois feixes estejam na mesma frequência, eles endereçam átomos diferentes devido ao movimento térmico natural . Se os feixes forem desafinados para o vermelho em relação à frequência de transição atômica, então o feixe da bomba será absorvido pelos átomos que se movem em direção à fonte do feixe, enquanto o feixe da sonda será absorvido pelos átomos que se afastam dessa fonte na mesma velocidade no direção oposta. Se os feixes forem desafinados em azul, ocorre o oposto.

Transmissão típica do feixe de sonda conforme registrado no fotodiodo para Rubídio natural como uma função do comprimento de onda do laser

Se, no entanto, o laser está aproximadamente em ressonância, esses dois feixes dirigem-se aos mesmos átomos, aqueles com vetores de velocidade quase perpendiculares à direção de propagação do laser. Na aproximação de dois estados de uma transição atômica, o feixe de bomba forte fará com que muitos dos átomos estejam no estado excitado; quando o número de átomos no estado fundamental e no estado excitado são aproximadamente iguais, a transição é considerada saturada. Quando um fóton do feixe de prova passa pelos átomos, há uma boa chance de que, se encontrar um átomo, o átomo esteja no estado excitado e, portanto, sofrerá emissão estimulada , com o fóton passando pela amostra. Assim, conforme a frequência do laser é varrida através da ressonância, um pequeno mergulho no recurso de absorção será observado em cada transição atômica (geralmente ressonâncias hiperfinas ). Quanto mais forte o feixe da bomba, mais largos e profundos se tornam os mergulhos no recurso de absorção ampliada por Doppler gaussiano. Em condições perfeitas, a largura do mergulho pode se aproximar da largura de linha natural da transição.

Uma conseqüência desse método de contra-propagação de feixes em um sistema com mais de dois estados é a presença de linhas de cruzamento. Quando duas transições estão dentro de um único recurso ampliado por Doppler e compartilham um estado fundamental comum, pode ocorrer um pico de crossover em uma frequência exatamente entre as duas transições. Este é o resultado de átomos em movimento vendo os feixes da bomba e da sonda ressonantes com duas transições separadas. O feixe de bomba pode fazer com que o estado fundamental seja despovoado, saturando uma transição, enquanto o feixe de prova encontra muito menos átomos no estado fundamental por causa dessa saturação e sua absorção cai. Esses picos de crossover podem ser bastante fortes, frequentemente mais fortes do que os principais picos de absorção saturada.

Realização experimental

Como a bomba e o feixe de sonda devem ter a mesma frequência exata, a solução mais conveniente é que venham do mesmo laser. O feixe de sonda pode ser feito de um reflexo do feixe da bomba passado pelo filtro de densidade neutra para reduzir sua intensidade. Para ajustar a frequência do laser, pode ser usado um laser de diodo com um transdutor piezoelétrico que controla o comprimento de onda da cavidade. Devido ao ruído do fotodiodo, a frequência do laser pode ser varrida ao longo da transição e a leitura do fotodiodo calculada em muitas varreduras.

Em átomos reais, às vezes há mais de duas transições relevantes dentro do perfil Doppler da amostra (por exemplo, em átomos alcalinos com interações hiperfinas ). Isso irá gerar a aparição de outras quedas no recurso de absorção devido a essas novas ressonâncias, além das ressonâncias de crossover.

Referências