饱和吸收谱

饱和吸收谱一般在实验上用于找对照点，之后详述。

饱和吸收谱

简介

饱和吸收光谱(saturated absorption spectroscopy)是一种测量原子吸收光谱的技术，其不会被由原子热运动的引入的多普勒频移影响，运用饱和吸收谱，我们可以找出原子能级跃迁的真实谱线。

原理

光谱原理

原子核周围的电子有一些不同的能级，当有一束光打到这个原子上的时候，如果这个光的频率正好满足电子的跃迁频率，电子就会吸收光子并在能级间跃迁，比如从基态跃迁到激发态，也就是发生了泵浦。而当电子从激发态再回到基态的时候，相应的就会发出一个光子，也就是弛豫。我们可以通过给原子不同频率的光，通过观察透射谱看它对于光的吸收与发射情况，以此得到一些信息，这就是光谱的基本的原理。

光谱展宽

从刚才的光谱原理我们知道，电子从激发态降到基态，放出一个确定的频率光，按理说它光谱应该是一条在该频率处的直线，但是实际上，它并不是直线，而是一个在跃迁频率附近有一定线宽的图形，如图1所示。

原子自发辐射产生的光谱

图1 原子自发辐射产生的光谱

这是因为光谱发生了展宽，造成展宽的因素主要有三个：

自然展宽：由量子力学的不确定性原理所引起的，一个电子处于激发态的时间不确定度 $\triangle\tau$ 与激发态跃迁到基态释放出的光子能量不确定性 $\triangle{E}$ 满足： $\triangle\tau\cdot\triangle{E}\geq\hbar$ ，由此，自然展宽 $\triangle{f_N}$ 与相对应的激发态平均寿命 $\tau$ 的关系满足： $\triangle{f_N}=\frac{1}{2\pi\tau}$ ，自然展宽的线型属于洛仑兹线型，一般为MHz 量级。由于量子力学不确定性原理的微观普适性，自然展宽无法避免，不可消除。
多普勒展宽：在有限温度情况下，辐射光子的原子将处于不规则运动状态，其与探测器间发生相对运动，引起多普勒效应。由于多普勒效应，与探测器有相对运动的原子接收到的光频率并非光源频率，这导致从探测器角度看，原子有可能被非原子激发频率的光激发，而造成可以被吸收的光有一个较大的频率范围，这将掩盖该范围内的其他细致光谱结构。多普勒展宽属于高斯线型，是谱线变宽的主要因素，一般为几百MHz。其定量描述为： $\triangle{f_D}=\frac{2\sqrt{2ln2}f_0}{c}\sqrt{\frac{K_BT}{m}}$ ，其中m为原子质量， $K_B$ 为玻尔兹曼常数，c为光速， $f_0$ 能级间的跃迁频率。
压力展宽：粒子密集时，辐射光子的原子与其他原子或离子相互作用，导致辐射原子能级产生畸变。从而使原子从激发态回到基态时放出的光子频率不是“正常”数值，这可能导致光谱形状和宽度都发生变化，称为压力展宽。其主要是由于原子之间互相碰撞造成能量传递产生的，它影响较小，可以通过减少原子的数目来得到有效的抑制。

饱和吸收谱实验装置与原理

如图2所示，先从同一个激光源发出一束光，再经过某些操作，让它分为一束强的泵浦光和一束弱的探测光，让泵浦光和探测光对打，让强的泵浦光提前将原子激发到饱和，这样弱探测光探测过去的时候，因为原子已经饱和了，就不会吸收探测光，会发生一个增强的透射，根据这个透射峰我们就可以得到在无多普勒影响下的原子能级。

实验装置

图2 饱和吸收谱实验装置

具体的探测原理如下图3所示，因为泵浦光和探测光他们的方向相反，如果泵浦光和探测光的频率不等于跃迁频率的话，原子需要多普勒效应补偿一下才能满足跃迁频率，如图3中a,c，泵浦光激发+v(-v)处的原子，探测光和泵浦光方向相反的，那么探测光激发的就是-v(+v)的原子，它们俩各激发各的，互不影响。如果它俩的频率正好等于原子跃迁频率，如图3b,那么泵浦光激发的是v=0的原子，探测光探测的也是v=0的原子，这两束光照射的是同一批原子，这样的话，因为这批原子已经提前被泵浦光抽到饱和，就不会吸收探测光，因此光谱就会出现一个增强的透射峰(图3e)。

饱和吸收谱原理展示