Podsumowanie W11

Podsumowanie W11

• Obserwacja przejść rezonansowych wymuszonych przez pole EM jest możliwa tylko, gdy istnieje różnica populacji. Tymczasem w zakresie fal radiowych poziomy są prawie jednakowo obsadzone.

• Wygodną metodą wytwarzania nierównowagowych rozkładów populacji jest pompowanie optyczne (zasada zachowania krętu w oddz. atom-pole).

• Pompowanie optyczne umożliwia wytwarzanie makroskopowej magnetyzacji gazów atomowych (cząsteczkowych) oraz czułą detekcję przejść

rezonansowych (podwójny rezonans).

• Interferencja kwantowa stanów atomowych

-) umożliwia pomiar struktur poz. energetycznych (dudnienia kwantowe, spektroskopia przecinania poziomów) oraz czasów życia stanów

atomowych (skrzyżownie poziomów w zerowym polu – ef. Hanlego) -) jest podstawą metody Ramseya dla pomiarów spektroskopowych bez poszerzenia przez czas przelotu

-) analogia do interferencji w klasycznej optyce falowej (dośw.

Younga, interferometr Macha-Zehndera)

Spektroskopia laserowa

spektroskop/

monochromator

za co kochamy lasery?

- monochromatyczność - kolimacja

- spójność

- intensywność (spektralna i przestrzenna gęstość energii)

ħ

-ogranicz. zdoln.

rozdz. (szer.instr.) -ogr. czułość

(droga opt.)



I



T

Lasery – 1965: Basow, Prochorow, Townes

np. widmo Fraunhoffera Zastosowania w klasycznej spektroskopii np. absorpcyjnej: T I I e ^{( )L}

det 0





 



detektor próbka

źródło – lampa spektr.

Ch.H. N.G. A.M.

Townes, Basow, Prochorow

Lasery w spektroskopii klasycznej



T





T

 detektor

próbka lampa spektr.

spektroskop/ monochromator

• monochromatyczność



zwiększenie zdolności rozdziel.

(







detektor próbka

laser przestraj.

• kolimacja



czułości (drogi opt.)

Laserowa spektroskopia bezdopplerowska

1. Spektroskopia nasyceniowa 2. Spektroskopia dwufotonowa

1981, N. Bloembergen, A. Schawlow

2

1 N

N 

 

Nasycenie:

•słabe pole EM (mało fotonów/sek)

•silne pole EM (dużo fotonów/sek)

 śr. populacje



 1/I

rozproszenie fot.  fluorescencja  spektro. emisyjna ubytek fotonów  spektro.abs.

e L

I

I ^{( )}

0





 

₀

0 0 I I I

 



( ) ⁰

 śr. populacje

 1/I



oscylacje Rabiego

Nasycenie absorpcji (przejścia) przez silne pole

 próbka prawie przezroczysta =

Selekcja prędkości

₀ _Lab







rozszerzenie dopplerowskie

2















 

e ^D



₀ _Lab

₀ _Lab

 

2 2

0

) 1 (

1 2

) 1 (



 







 

 

t 

f

i t

prawdopodobieństwo absorpcji fotonu P

M T ku 2k^B



Selekcja prędkości – c.d.

0 k_z N₂(_z)

2



 



 ku k z

e



T k

E

e B

N

N ^{ }



1 2

k

L z

0

   ^

• słabe pole

nasycenie wybranej grupy atomów wybranej

0 k_z N₁(_z)

• silne pole

0 k_z N₂(_z)

0 k_z N₁(_z)

dla wiązki o częstości

_L w rezonansie są atomy o prędkości

(selekcja prędkości)

• gdy 1 wiązka laserowa przestrajana wokół ₀

• gdy 2 wiązki (słaba + silna)

Wzmac. fazoczuły

detektor próbka

laser przestrajalny

w. próbkująca (–k) w. nasycająca (+k)

1 wiązka

2

1 N

N 

 

₀ 

T 0 k_z

 nasycane różne klasy prędkości  zmniejszenie kontrastu widma abs.

i poszerzenie linii bo

k

L

z 

  ⁰

 k

L

z 

  ⁰











T

2

1 N

N 

 

0 k_z

   

Eliminacja poszerzenia dopplerowskiego:

1. Spektroskopia saturacyjna

1/





kalibracja skali !!!

0

=0=

+k –k

2. Spektroskopia dwufotonowa

Reguły wyboru dla jednofotonowych przejść E1 (El-dipol.)

 zmiana parzystości

między stanami o tym samym l potrzeba 2n fotonów

 małe prawdopodobieństwo – możliwe tylko dla silnych pól EM

Parity 2 (+)

1 (+)

ħ₂ ħ₁

E₂ – E₁= ħ(₁+ ₂) Ef. Dopplera + Założenie ₁= ₂= 

21 2

N₂()

21 2

N₂()

 kompensacja ef. D. niezależnie od  !

= ħ(2 – 2k•)

= ħ(2 + 2k•)

= ħ(2 + k• – k•) = 2 ħ 

wszystkie atomy dają wkład 

nadrabiane małe prawdopodobieństwo

 2

N₂()

 

Wielkie eksperymenty, c.d. – pomiar przes. Lamba 1S

3 2 4

2 ) (

n mc C Z

E





 



w stanie 1S przesunięcie 8x większe!

ale brak poziomu „referencyjnego”

w dośw. L.-R. pomiar względny:

przesunięcie 2S wzgl. 2P

Ly_ H_ H_

 wzór Balmera – duże regularności widm:

n

E R

n

 

_Ly= 4_H

(Ly_) = 121,5 nm

(H_) = 486 nm

 „autokalibracja” widm:

4 (Ly_) = (H_)

Równoczesny pomiar widma H

i Ly

(przes. L. 1S)

S=816129 MHz

1 2 3 4 5



2S 2P

486

243

243

121.5

H_

Ly laser N₂

laser barwnikowy

2 x 

H

H

243 nm 243 nm

ampl.

486 nm

H_

Ly

skala częst.