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1、 本科实验报告课程名称：光谱技术及应用实验姓 名：赵宇峰、盛亚茗、景洋学 部：信息学部系：光电信息工程学系专 业：信息工程（光电系）学 号：3100102672、3100102584、3100104440指导教师：袁波 杨青2013年 4 月 20 日装 订 线专业：光电1002姓名：赵宇峰 学号：3100102672日期：2013-04地点： 实验报告课程名称： 光谱学实验 指导老师：袁波 伍剑 杨青 成绩：_ 实验名称：LD调制高分辨光谱实验 实验类型： 验证性 一、 实验目的1、了解碱金属原子光谱超精细结构的形成原理；2、掌握基于LD调制的Rb原子光谱测量方法；3、掌握Rb原子光谱的定性
2、和定量分析。二、 仪器和装置1、794nm激光二极管（Laser diode, LD）以及LD驱动器和温度控制器1套；2、87Rb原子池1个和87Rb85Rb原子池1个；（注：两组共用）3、腔长10 cm的F-P标准具1个（折射率n=1.51，直径25.4 mm）；4、D2.0中性密度滤光片1个，D0.3中性密度滤光片1个，可调光衰减片1个；5、光电探测器2个（带1个电源）；6、信号发生器1个；（注：两组共用）7、示波器1个；8、白屏1个，小孔1个，红外显示卡1个。三、 实验原理1、Rb原子D1谱线的精细结构碱金属原子只有1个价电子，具有类似氢原子的简单能级结构，其基态的主量子数n由其内层电子
3、的填充情况决定，比如：锂Li、钠Na、钾K、铷Rb、铯Cs和钫Fr的主量子数n分别为2、3、4、5、6和7。碱金属原子的基态是角量子数l=0的量子态，记为n2S1/2；而其第一激发态是角量子数l=1的量子态，由于电子轨道角动量与电子自旋角动量的耦合，它分裂为两个精细结构n2P1/2和n2P3/2（|l-s|, . ,|l+s|，其中s=1/2和l=1）。n2S1/2n2P1/2和n2S1/2n2P3/2跃迁分别称为D1线和D2线，本实验中所使用的Rb原子的D1线和D2线分别为52S1/252P1/2和52S1/252P3/2的跃迁线，波长分别为794.98 nm和780.24 nm。虽然碱金属
4、原子的精细结构类似，但是它们的超精细结构却有很大差别，超精细结构由核自旋角动量和电子角动量耦合形成。以本实验中所使用的Rb原子为例，自然界中有85Rb和87Rb两种同位素，其相对丰度分别为72.17%和27.83，它们的核自旋角量子数I分别为5/2和3/2，52S1/2、52P1/2和52P3/2态的电子角量子数J分别为1/2、1/2和3/2，由于耦合将形成总角量子数F=|I-J|, . ,|I+J|，这样85Rb的52S1/2、52P1/2和52P3/2态将分别分裂为2（F=2, 3）、2（F=2, 3）、4（F=1, 2, 3, 4）个超精细结构，而87Rb的52S1/2、52P1/2和5
5、2P3/2态将也分别分裂为2（F=1, 2）、2（F=1, 2）、4（F=0, 1, 2, 3）个超精细结构。Rb原子能级结构的具体情况如图1所示。 F4312323252P3/252P1/252S1/2D2780.24nmD1794.98nm85Rb362MHz3036MHzF3012212152P3/252P1/252S1/2D2780.24nmD1794.98nm87Rb815MHz6835MHz图1 Rb原子的能级结构图2、LD调制光谱测量原理LD调制光谱测量的系统结构如图2所示。LD的发光波长可由温度和驱动电流来调节，它将随着温度的升高和驱动电流的增大而超长波方向移动，在极限情况下其
6、波长调节范围不大（约十几纳米），所以事先需要选择室温状态下波长在所测谱线附近的LD作为光源。在实际应用中，通常先让LD稳定在某一个温度，然后将信号发生器产生的低频（约100Hz）锯齿波信号加载在LD电流驱动器上，从而实现波长的小范围扫描以得到待测样品的光谱。准直后的LD光束被分束镜分为两束：一束通过Rb原子样品池，然后被光电探测器A接收，用于探测Rb原子D1谱线的超精细结构；另一束通过F-P标准具，然后被探测器B接收，用于波长定标。通过示波器检测到的模拟信号可转化为数字信号送入计算机中做进一步的分析和处理。温度控制器电流驱动器驱动信号发生器激光二极管准直透镜Rb原子样品池光电探测器AF-P标准
7、具光电探测器B示波器CH1 CH2计算机分束镜图2 系统结构示意图3、波长定标F-P标准具用于波长定标。F-P标准具的工作原理为多光束干涉，其干涉光强为： （1）其中，和分别为标准具端面的透射率和反射率，为折射率，为标准具腔长，为入射光线与端面夹角，为波长。根据公式（1）容易推算出自由光谱范围（即图3中干涉信号的峰-峰间距）为： （2）这样，利用自由光谱范围值就可以“量”出图3光谱中吸收峰之间的间距大小。Rb原子光谱信号标准具干涉信号图3 光谱和干涉信号示意图4、Rb原子光谱定量分析根据Lambert-Beer 定律，激光通过Rb原子池后光强为： （3）其中，和分别为被Rb原子吸收前和吸收后的
8、光强，为Rb原子浓度， 为Rb原子池长度，为吸收截面（Absorption cross section）。因此，利用测得的光谱可以估计Rb原子浓度，或者Rb原子在某个波长下的吸收截面。造成谱线增宽的因素有许多种，比如：原子能级寿命会导致自然增宽、无规则热运动会导致多普勒增宽、粒子相互碰撞会导致碰撞（压力）增宽等。不同的谱线增宽方式会形成不同的线型，比如：自然增宽和碰撞增宽形成洛伦兹线型，而多普勒增宽形成高斯线型。在本系统中可以仅考虑多普勒增宽效应，因为自然线宽相对较小，而在原子气体浓度不高的情况下碰撞增宽可以忽略不计。多普勒增宽可以用如下公式描述： （4）其中，为中心谱线频率，为Rb原子绝对温
9、度，为Rb原子质量， 。四、 实验内容1、按照仪器上给出的参考温度和电流值，调节LD温度控制器和电流驱动器，使LD发光波长调谐到794 nm附近。2、根据检测原理，利用所提供的光学器件构建合适的光路，然后通过信号发生器输入锯齿波到LD电流驱动器上以实现波长扫描，由此测出Rb原子D1谱线的光谱轮廓，并同时记录F-P标准具的干涉图谱。（注：需要针对两个Rb原子池分别测量光谱）3、指认光谱中的每个吸收峰（即它们来自哪种同位素哪两个能级之间的跃迁），并估计85Rb和87Rb的超精细结构的能级分裂大小。4、假设87Rb 原子的52S1/252P1/2（F=1F=2）跃迁中其吸收截面为1.0810-9 c
10、m-2，请根据吸收情况计算87Rb原子池中的87Rb原子浓度。5、测量光谱中的吸收峰线宽，假设线宽主要由多普勒展宽造成，试估计Rb原子样品池的温度。五、 注意事项1、实验中使用794 nm的LD作为光源，要避免光束（特别是未经衰减的光束）直射入或反射到人眼中，所以实验中要注意控制无用的反射或透射光束的方向，请采用俯视的方式进行光路调节，严禁采用平视的方式进行观察和调节。2、两组同学被安排在同一光学平台上，要特别注意不能让强光束直接射到另一组同学的工作区域，因为对方通常会不知道光束的去向，很容易受到伤害。3、当温度已经在参考温度附近稳定下来后，如果没有扫描出光谱，请不要随意调节LD温度控制器，因
11、为温度稳定需要时间，此时可调节LD电流驱动器。4、注意避免光路中相邻镜面呈平行状，因为这样容易形成干涉，对最终的信号产生干扰。5、注意避免探测器信号过饱和，如果信号过饱和则无法得到正确的数据。6、F-P标准具的调节需非常细心，否则不能得到好的干涉信号。7、在使用Rb原子池时要特别小心，千万不要将其打破，因为金属Rb暴露在空气中容易燃烧，而且Rb原子池本身比较昂贵。8、信号发生器由两组共用，所以不要轻易改变其输出波形，因为这样会影响到另一组的测量信号。六、 实验数据记录与分析本实验我们小组的数据有问题，小的吸收峰，如短程的3号，长程的2号与5号非常不明显，并且过FP腔后的波形十分不好，自由光谱范
12、围只能估计而得，可能是实验设备的问题，或者是我们没调好，这里只能粗略分析。得到这样波形的原因可能是激光发生器不稳定，导致波形衰减严重，从而得不到好的波形。1）、短程气体池（Rb87气体池）直流：交流：、由取=90可得，自由光谱范围为9.93108Hz，而根据实验数据，对应于125个像素点。五个吸收峰的峰值分别对应于第825个、第925个、第1625个和第1725个像素点。则测量得到的吸收峰之间的频率间隔依次为：0.794GHz、5.561GHz、0.794GHz。对照能级结构图，我们可以判断出每条谱线的结构（图中标号一一对应）：2）、长程气体池（Rb87与Rb85混合气体池）直流：交流：由取=
13、90可得，自由光谱范围为9.93108Hz，而根据实验数据，对应于125个像素点。五个吸收峰的峰值分别对应于第850个、第960个、第1025个、第1350个、第1550个和第1675个像素点。则测量得到的吸收峰之间的频率间隔依次为：0.874GHz、0.516GHz、2.581GHz,、1.589GHz和0.969GHz。对照能级结构图，我们可以判断出每条谱线的结构（图中标号一一对应）： 理论上能够看到8条谱线，但是由于多普勒展宽效应，导致有峰重合（即图中的3,4），不能分辨出3和4所在位置的双峰。3）、假设 87 Rb原子的52S1/252P1/2（F=1F=2）跃迁中其吸收截面为1.08
14、10 -9 cm-2 ，请根据吸收情况计算 87 Rb原子池中的 87 Rb原子浓度。根据直流耦合数据可以得到基线相对于0点的数据值为：8.3540，而所求收峰的峰值相对于0点为7.5194。根据Lambert-Beer 定律，激光通过Rb原子池后光强为：其中，和分别为被Rb原子吸收前和吸收后的光强，为Rb原子浓度， 为Rb原子池长度，为吸收截面（Absorption cross section）。又光强与示波器显示纵轴电压量成线性关系，故有I(v)I(v0)=7.51948.3540=0.9又原子池的长度约为5.6cm。计算可得：N=1.74107cm-34）、测量光谱中的吸收峰线宽，假设线
15、宽主要由多普勒展宽造成，试估计Rb原子样品池的温度。多普勒线性展宽的公式为：其中，为中心谱线频率，为Rb原子绝对温度，为Rb原子质量， 。这里取原子量为86。取87Rb原子池测验结果中谱线4作为参考谱线，根据直流数据读出其半宽度为65个像素点，以自由光谱范围为标尺可以得到其半宽度为0.516GHz。又已知中心频率约为377367GHz，计算可得：T=336.81K七、心得体会：本次实验原理比较简单，但调试过程比较繁琐，我有以下几点心得体会：（1） 要多使用白色小纸板，通过纸板沿着光路走来判断光路的方位，进而搭建其他的光学器件，一定不要用眼睛去准直。（2） 实验过程中FP腔非常难调，一定要先调出三角波后再加入FP腔，如此会简单些。（3） 光电探测器非常容易饱和，一般不直接照射到探测器上就能有比较好的光谱线。（4） 确定一个光学元件的位置之后一定要记得锁紧底座的磁铁，我们实验中有两次都是因为忘了锁紧，不小心碰到了又需要重新调整。