Espectroscopia de absorción saturada
En física atómica experimental , la espectroscopia de absorción saturada o espectroscopia sin Doppler es una configuración que permite la determinación precisa de la frecuencia de transición de un átomo entre su estado fundamental y un estado ópticamente excitado . La precisión con la que se pueden determinar estas frecuencias está, idealmente, limitada solo por la amplitud del estado excitado, que es la inversa de la vida útil de este estado. Sin embargo, las muestras de gas atómico que se utilizan para ese propósito se encuentran generalmente a temperatura ambiente, donde la distribución de frecuencia medida se amplía mucho debido al efecto Doppler . La espectroscopia de absorción saturada permite una espectroscopia precisade los niveles atómicos sin tener que enfriar la muestra a temperaturas en las que el ensanchamiento Doppler ya no es relevante (que sería del orden de unos pocos milikelvins). También se utiliza para fijar la frecuencia de un láser a la longitud de onda precisa de una transición atómica en experimentos de física atómica.
Según la descripción de un átomo que interactúa con el campo electromagnético , la absorción de luz por el átomo depende de la frecuencia de los fotones incidentes. Más precisamente, la absorción se caracteriza por un Lorentziano de ancho Γ / 2 (como referencia, Γ ≈ 2π × 6 MHz para las transiciones comunes de la línea D de rubidio [1] ). Si tenemos una celda de vapor atómico a temperatura ambiente, entonces la distribución de velocidad seguirá una distribución de Maxwell-Boltzmann
donde es el número de átomos, es la constante de Boltzmann y es la masa del átomo. Según la fórmula del efecto Doppler en el caso de velocidades no relativistas,
donde es la frecuencia de la transición atómica cuando el átomo está en reposo (el que se está probando). El valor de en función de y se puede insertar en la distribución de velocidades. La distribución de la absorción en función de la pulsación será, por tanto, proporcional a un gaussiano con el ancho completo a la mitad del máximo.
Por lo tanto, sin ningún truco especial en la configuración experimental que pruebe el máximo de absorción de un vapor atómico, la incertidumbre de la medición estará limitada por el ensanchamiento Doppler y no por el ancho fundamental de la resonancia.
Para superar el problema del ensanchamiento Doppler sin enfriar la muestra a temperaturas de milikelvin, se utiliza un esquema clásico, y bastante general, de bomba-sonda. Se envía un láser con una intensidad relativamente alta a través del vapor atómico, conocido como rayo de bomba. Otro rayo débil contrapropagado también se envía a través de los átomos a la misma frecuencia, conocida como rayo sonda. La absorción del haz de la sonda se registra en un fotodiodo para varias frecuencias de los haces.
