【实验案例】利用780nm DFB测试Rb饱和吸收光谱

饱和吸收光谱（Saturated Absorption Spectroscopy, SAS）作为突破多普勒展宽限制的高分辨率光谱技术，在原子分子物理、精密测量等领域具有重要价值。本文简要阐述了饱和吸收光谱的工作原理、以及我们如何使用780nm DFB扫出 ⁸⁵Rb的饱和吸收光谱。

什么是原子吸收光谱？当入射光波长与原子基态到激发态跃迁能量匹配时，原子外层电子吸收光子能量发生跃迁，导致入射光强度显著衰减，形成吸收峰。该过程遵循量子力学选择定则，仅允许特定能级间的跃迁。

原子吸收峰并非严格单色，其半高宽受以下因素影响：

‌自然展宽‌（10-5 nm量级）：由激发态有限寿命导致的能量不确定性，符合海森堡测不准原理。

‌多普勒展宽‌（10-4 ~ 10-3 nm量级）：原子热运动引发波长偏移，使得原子的精细结构被掩盖，无法观察。例如，室温下铷原子的多普勒展宽可达数百MHz‌。

多普勒展宽影响了我们对原子精细结构的探测。因此，人们提出了饱和吸收光谱这种解决方案，可以克服多普勒展宽对原子光谱的影响。

我们的饱和吸收光谱光路结构图如下所示。首先，采用780nm的DFB作为光源，结合任意波形发生器（AFG）的锯齿波调制进行电流调制扫频，确保激光的频率可以扫过⁸⁵Rb的D2线。然后，通过1/2波片和PBS的组合，将光束一分为二，同时控制两束光的功率比例。一般来说，pump光的功率要远大于probe光。通过控制一对反射镜，让pump光正好反向打回Rb原子气室，和probe光完全共线。probe光则正向通过气室，穿过PBS，由PD采集电压信号。

最终，我们可以在示波器上看到⁸⁵Rb的饱和吸收信号。

⁸⁵Rb F=3跃迁至F’=2，3，4与交叉峰局部放大图

⁸⁵Rb饱和吸收信号

设备介绍：

AFG:任意函数发生器，是一种能生成任意波形的信号源。我们使用的设备是TEK的AFG31052，利用它生成锯齿波。

780nm DFB：这是一种基于分布反馈（DFB）结构的窄线宽半导体激光器，其中心波长为780nm，通过调制它的泵浦电流就可以实现扫频，广泛应用于铷原子量子计算、原子重力仪及精密测距等领域。

1/2波片：又叫半波片，是一种基于双折射原理的光学相位延迟片，可以对线偏光的偏振态进行控制，广泛应用于激光偏振调控、光通信及量子光学领域‌。

PBS：偏振分束器，是一种基于双折射或介质膜干涉原理的光学元件，能够将入射光按偏振态正交分离为透射的P偏振光与反射的S偏振光，消光比可达1000:1以上，配合1/2波片控制入射光的偏振态，可以调控分出两束正交光的功率比例。

⁸⁵Rb气室：装有⁸⁵Rb的密封玻璃气室，对气室加热至60℃左右，确保气室内的Rb不凝固在玻璃上。

反射镜：需要一对反射镜，才能确保pump光可以和probe光共线反向。

PD：光电探测器，将光功率信号转换为电压信号并实时输出。

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