اسپکتروسکوپی جذبی اشباع شده (SKSAS/M)

طیف سنجی جذبی اشباع شده یا طیف سنجی غیر دوپلری چیدمانی است که تعیین دقیق فرکانس انتقال یک اتم بین حالت پایه ی آن و یک حالت برانگیخته را فراهم می ­کند. به طور ایده آل دقت تعیین این فرکانس تنها به پهنای حالت برانگیخته، که معکوس طول عمر این حالت است، محدود می شود. طیف سنجی جذب اشباع شده اجازه ی طیف سنجی دقیق ترازهای اتمی بدون نیاز به سرد کردن نمونه به دماهایی که در آن ها پهن شدگی دوپلری دیگر قابل توجه نیست (چند میلی کلوین) را می دهد. همچنین در آزمایشات فیزیک اتمی این روش برای قفل کردن فرکانس یک لیزر در طول موج دقیق یک انتقال اتمی مورد استفاده قرار می گیرد.

اسپکتروسکوپی جذبی اشباع شده

هر اتم دارای مجموعه ای از فرکانس های جذبی منحصربفرد است که توسط ساختار فوق ریز حالتهای االکترونی آن تعیین می شود. اگر اتم در حالت پایه باشد، با عبور نور از چنین سیستمی، نور فقط در این فرکانس های انتقالی گسسته (f0) جذب می شود. در یک دمای مشخص، طبق توزیع سرعت دمای ماکسول-بولتزمن حرکت می کنند. به دلیل این توزیع، با وجود ثابت بودن بعضی از اتم ها، اتم های دیگری وجود دارند که با سرعت های متفاوتی در راستای انتشار نور در سیستم در حال حرکتند. یک لیزری با فرکانسی برابر با یکی از پیک های انتقالی فوق ریز، (f0)، تنها با اتم هایی که ثابت هستند برهمکنش می کند. اتم هایی با سرعت v، تنها می توانند با لیزری با فرکانس f (انحراف کمی از فرکانس انتقال) که یک شیفت دوپلری به یک فرکانس انتقال f0 را ارضا می کند، برهمکنش کنند. نتیجه ی این پدیده برای روبیدیوم، یک توزیع فرکانسی از جذب های رخ داده است (شکل 1).

SAS_Signal_DWG_350

شکل 1

پرتوهای با جهت انتشار مخالف

دو پرتو لیزر که در جهت های مخالف هم در یک سلول گازی در حال انتشارند را در نظر بگیرید. پرتو نور با فرکانس کمتر از f0 که به سمت چپ (راست) در حال انتشار است، تنها می تواند با گروهی از اتم ها که به سمت راست (چپ) در حال حرکتند، برهمکنش کند. برای فرکانس لیزر بزرگتر از f0، نور تنها می تواند با اتم هایی که در همان جهت انتشار پرتو در حال حرکتند، برهمکنش کند. برای یک لیزر با فرکانس خاص، هر پرتو با گروهی متفاوت از اتم ها با سرعتی متفاوت برهمکنش می کند.

اگرچه وقتی لیزر دارای فرکانس f0 است، هر دو پرتوی در حال انتشار در جهت های مختلف، تنها می توانند با اتم هایی که در حال سکون هستند برهمکنش کنند. بنابراین یک تهی سازی از اتم های در حالت پایه با سرعت صفر رخ می دهد که توسط افت هایی در پروفایل جذبی پهن شدگی دوپلری نشان داده می شود ( خطوط آبی رنگ در شکل 1). این افت ها، پیک های بسیار باریکی را پدید می آورند که می تواند به عنوان یک نقطه برای قفل کردن فرکانس در یک لیزر قابل تنظیم مورد استفاده قرار گیرد.

چیدمان آزمایشگاهی

شماتیک چیدمان آزمایشگاهی طیف سنجی جذب اشباع شده در شکل 2 آمده است. در این چیدمان نور در ابتدا جهت تنظیم قطبش برای یک باریکه شکن قطبشگر، از میان یک تیغه نیم موج عبور می کند. این باریکه شکن 4 میکرووات از توان لیزر را عبور می دهد و 400 میکرووات از این توان را بازتاب می دهد. پرتو به توان 4 میکرووات از میان سلول گازی عبور می کند و به باریکه شکن قطبشگر دوم می رسد و در نهایت توسط یکی از پورت های آشکارساز تعادلی، آشکارسازی می شود. این پرتو به نام کاوشگر نامیده می شود. پرتو با توان 400 میکرووات توسط دو آینه بازتاب می شود و در نهایت توسط باریکه شکن قطبشگر دوم به درون سلول گازی هدایت می گردد و در جهت خلاف پرتو کاوشگر حرکت می کند. به این پرتو، پمپ گفته می شود. این پرتوهای کاوشگر و پمپ در حال انتشار در جهت های مخالف، تهی سازی حالت پایه ی در تشدید را ایجاد می کنند.

Saturated_Absorption_Spectroscopy_A1-780

شکل 2

یک پرتوی مرجع با بازتاب از باریکه شکن 50/50 و عبور از سلول گازی به پورت دوم آشکارساز تعادلی خواهد رسید. با تعیین اختلاف پورت دوم (انتقال مستقیم) و پورت اول (انتقال غیر دوپلری) از آشکارساز تعادلی، سیگنالی شبیه شکل 3 ثبت خواهد شد. این سیگنال پهن شدگی دوپلری را جهت آشکار ساختن چندین پیک باریک حذف می کند. برای استفاده از این سیگنال ها جهت با ثبات سازی فرکانس لیزر، لیزر در یک فرکانس مرتبط با لبه ی تیز پیک انتقالی قفل می شود. یک ولتاژ (V(f0 متناسب با این فرکانس قفل شده وجود خواهد داشت. به محض اینکه فرکانس لیزر انحراف پیدا می کند، ولتاژ سیگنال تفاضلی تغییر می کند که با (V(f در شکل 3 نمایش داده می شود. بنابراین یک سیگنال خطا که با (Error(f) = V(f0) = V(f محاسبه می شود، می تواند توسط یک حلقه ی بازخورد جهت تنظیم فرکانس لیزر تا زمانی که Error(f) = 0 برقرار شود، مورد استفاده قرار گیرد. در این حالت، فرکانس لیزر می تواند به انتقال قفل شود.

SAS_Diff_DWG_350

شکل 3