Xây dựng hệ đo phổ hấp thụ bão hòa và phổ tán sắc của nguyên tử 87rb

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN TIẾN THIÊN CUNG XÂY DỰNG HỆ ĐO PHỔ HẤP THỤ BÃO HÒA VÀ PHỔ TÁN SẮC CỦA NGUYÊN TỬ 87Rb LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGHỆ AN - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN TIẾN THIÊN CUNG XÂY DỰNG HỆ ĐO PHỔ HẤP THỤ BÃO HÒA VÀ PHỔ TÁN SẮC CỦA NGUYÊN TỬ 87Rb Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN HUY BẰNG NGHỆ AN - 2017 LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập từ đầu khóa học đến nay, tơi ln quan tâm giúp đỡ quý thầy cô bè bạn Tôi xin gửi lời biết ơn chân thành đến quý thầy ngành Vật lí thầy Phòng Đào tạo Sau đại học Trường đại học Vinh dùng tâm huyết tri thức truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho tất học viên Đặc biệt, năm qua, thật vinh dự đến thăm trường đại học Vinh, đến phịng thí nghiệm khoa, tiếp xúc với thầy cô, anh chị nghiên cứu sinh phần giúp tơi tiếp cận với mơn học mình, từ hiểu mơn học có nhiều hữu ích sống Tôi xin chân thành cám ơn PGS.TS Nguyễn Huy Bằng người tận tình hướng dẫn tơi qua buổi thí nghiệm, thảo luận lĩnh vực khoa học, sáng tạo ứng dụng đề tài Từ đó, thầy giúp tơi có nhiều động lực để tiếp tục nghiên cứu hoàn thành đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Tiến Dũng nhiệt tình cung cấp số tài liệu quý báu, anh NCS Phan Văn Thuận, NCS Lê Cảnh Trung nhiệt tình hướng dẫn thao tác thí nghiệm tơi lần đầu tiếp xúc với dụng cụ đại phòng thí nghiệm đại học Vinh cung cấp nhiều tài liệu quan trọng giúp tháo gỡ nhiều khúc mắc q trình nghiên cứu Tơi xin gửi lời cám ơn đến bạn bè, đồng nghiệp, gia đình ln động viên, khích lệ, ủng hộ suốt thời gian qua Đó tình cảm q báu đáng trân trọng TP.HCM, tháng 06 năm 2017 Tác giả MỤC LỤC CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHỔ HẤP THỤ BÃO HÒA PHỔ TÁN SẮC NGUYÊN TỬ 1.1 Cấu trúc lươ ̣ng của nguyên tử 1.1.1 Các mức lươ ̣ng thô 1.1.2 Các mức lươ ̣ng tinh tế 13 1.1.3 Các mức lươ ̣ng siêu tinh tế 15 1.1.4 Các mức lươ ̣ng thô, tinh tế và siêu tinh tế nguyên tử Rb 17 1.1.5 Hấ p thu ̣ tuyế n tiń h và hấ p thu ̣ phi tuyế n 21 1.1.6 Hố Lamb đường cong phổ 27 1.2 Vạch phổ mở rộng vạch phổ nguyên tử 33 1.3 Kỹ thuâ ̣t phổ hấp thụ bão hòa 35 1.4 Vấn đề phổ tán sắc 39 1.4.1 Độ cảm phức môi trường 39 1.4.2 Hê ̣ số hấ p thu ̣ và ̣ số tán sắ c 41 KẾT LUẬN CHƯƠNG I 42 CHƯƠNG II 43 XÂY DỰNG THÍ NGHIỆM ĐO PHỞ HẤP THỤ BÃ O HÒA 43 Và PHỔ TÁN SẮC NGUYÊN TỬ RB87 43 2.1 Nguồn laser 43 2.1.1 Laser diode ECD – 003 của hañ g Moglabs 43 2.1.2 Bô ̣ điề u khiể n laser diode 46 2.2 Đầu thu 48 2.2.1.Photodiode 48 2.2.2 Photodetector 49 2.3 Mẫu (Bình Rubi) 50 2.4 Hệ quang học 51 2.4.1 Bộ tách chùm tia 51 2.4.3 Kính phân cực 52 2.4.4 Máy sóng oscilloscope 53 2.4.5 Giao thoa kế Fabry-Perot 54 KẾT LUẬN CHƯƠNG II 56 CHƯƠNG III 57 PHỔ HẤP THỤ BÃ O HÒA PHỔ TÁN SẮC NGUYÊN TỬ RB87 57 3.1 Tiến hành đo 57 3.1.1 Đo phổ hấp thụ bão hòa 57 3.1.2 Một số vấ n đề chú ý lắ p ráp thí nghiê ̣m 60 3.1.3 Sắp xếp phận thí nghiệm 60 3.1.4 Chi tiết chức chùm tia 62 3.1.5 Cấu hình lại hệ thống để đo phổ tán sắc 65 3.2 Kết đo 66 3.2.1 Phổ hấp thụ bão hòa 66 3.2.2 Phổ tán sắc 69 KẾT LUẬN CHƯƠNG III 73 KẾT LUẬN CHUNG 74 PHỤ LỤC 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 LỜI MỞ ĐẦU Nghiên cứu cấu trúc bên ngun tử có vai trị quan trọng việc giải thích dự đốn tính chất lý, hóa nguyên tử Khi hiểu cấu trúc phổ nguyên tử biết trạng thái lượng tử nguyên tử tham gia vào dịch chuyển phổ Hiểu biết tập hợp trạng thái cho phép ta tiên đốn tính chất lí - hóa ngun tử, tính chất môi trường tạo từ nguyên tử này, tiên đốn q trình động học ngun tử điều kiện điều kiện kích thích, mơi trường khác Về mặt thực nghiệm việc nghiên cứu cấu trúc bên nguyên tử thường thực thông qua phép đo quang phổ cách quan sát phổ phát xạ hấp thụ dựa tương tác vật chất với xạ (các nghiên cứu bước sóng, phân bố phổ, cường độ vạch phổ, độ rộng vạch phổ) Mở đầu quan sát phổ phân giải thấp Balmer (1895) Đến năm 1934, thí nghiệm đo phổ mình, Lamb Rutherford quan sát thấy dịch chuyển mức 2S1/2 2P1/2 nguyên tử Hydro Kết thực nghiệm mâu thuẫn với lý thuyết Dirac Sự xuất dịch chuyển Lamb có tương tác trường điện tử với trường xạ mà lý thuyết Dirac chưa đề cập đến Phổ nguyên tử ion có điện tử hóa trị loại phổ đơn giản Chúng thuộc nguyên tử Hidro kim loại kiềm, cấu trúc điện tử chúng tương tự nhau: lớp điện tử lấp đầy có điện tử hóa trị ns ngồi Ngày nay, phổ kim loại kiềm xác định chi tiết 87Rb nguyên tử kim loại kiềm ứng dụng nhiều kỹ thuật làm lạnh nguyên tử laser nên thuận lợi để nghiên cứu thực nghiệm Vì vậy, vấn đề đặt cần phải biết thông tin cấu trúc để thiết lập thông số cho thực nghiệm Tuy nhiên, kỹ thuật phổ thơng thường gặp phải khó khăn lớn nghiên cứu cấu trúc siêu tinh tế nguyên tử vì chuyển động nhiệt không ngừng nguyên tử gây mở rộng Doppler có độ rộng phổ lớn nhiều so với độ rộng mức siêu tinh tế dẫn đến hình ảnh mức siêu tinh tế bị nhịe khơng quan sát Với sự đời của laser những năm 1960, các kỹ thuâ ̣t phổ phân giải cao khác đươ ̣c hình thành Một kỹ thuật phổ phân giải cao thường sử dụng đo phổ kỹ thuật phổ hấp thụ bão hòa Ưu điểm lớn kỹ thuật phổ hấp thụ bão hòa loại bỏ mở rộng Doppler nên quan sát phổ cấu trúc siêu tinh tế nguyên tử Ở Việt Nam, việc ứng dụng kỹ thuật phổ laser vào nghiên cứu cấu trúc tính chất nguyên tử tiến hành số trung tâm, viện nghiên cứu trường đại học Đă ̣c biêt,̣ gầ n các thiế t bi ̣thí nghiê ̣m hiê ̣n đa ̣i về quang ho ̣c - quang phổ đã đươ ̣c đầ u tư ở Trường Đa ̣i ho ̣c Vinh Đây hội thuận lợi cho viêc̣ triể n khai các nghiên cứu liñ h vực này Trong phép đo phổ hấp thụ bão hịa mơi trường khí ngun tử nhiệt độ cao, ngồi dịch chuyển bão hịa thường cịn xuất thêm dịch chuyển bão hịa chéo (crossover) [3,5] làm cho hình ảnh phổ với ứng dụng thêm phong phú Trong nhiều ứng dụng hấp thụ bão hịa phần lớn dựa tính chất tán sắc Tuy nhiên, số nghiên cứu gần [6,11] chưa quan sát bão hòa chéo đặc biệt chưa đo phổ tán sắc Vì vậy, lựa chọn “Xây dựng hệ đo phổ hấp thụ bão hòa phổ tán sắc nguyên tử 87 Rb” làm đề tài luận văn tốt nghiệp để góp phần giải hạn chế Luận văn trình bày bao gồm phần mở đầu, phần nội dung, phần kết luận chung phần tài liệu tham khảo Phần nội dung gồm có ba chương: - Chương 1: Trình bày sở lý thuyết liên quan đến cấu trúc mức lượng nguyên tử cấp độ khác (thô, tinh tế, siêu tinh tế); tương tác nguyên tử với trường laser; kỹ thuật phổ hấp thụ bão hòa kỹ thuật đo tán sắc - Chương 2: Trên sở thiết bị thí nghiệm, xây dựng ̣ thớ ng đo phở hấp thụ bão hịa phổ tán sắc cho nguyên tử 87 Rb; lắp ráp tinh chỉnh hệ thống thiết bị quang học - Chương 3: Tiến hành thí nghiệm thu số liệu phổ thực nghiệm, định cỡ phổ CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHỔ HẤP THỤ BÃO HÒA VÀ PHỔ TÁN SẮC CỦA NGUYÊN TỬ 1.1 Cấu trúc lươ ̣ng của nguyên tử 1.1.1 Các mức lượng thô Xét nguyên tử có điện tử (electron có điện tích –e khối lượng me) chuyển động xung quanh hạt nhân có điện tích Ze Phương trình Schrodinger hạt có dạng:  2 Ze      r   E r  40 r   2me (1.1) đó, số hạng đầu vế trái động năng, số hạng thứ hai tương tác Coulomb V(r) điện tích hạt nhân Thế V(r) có tính đối xứng cầu nên giải phương trình (1.1) cách chọn hệ tọa độ cầu r , ,   Trong hệ tọa độ cầu, hàm sóng tồn phần khai triển thành:  nlm r ,  ,    Rnl r lm  ,   (1.2) với R(r) hàm bán kính r đặc trưng cho khoảng cách từ điện tử tới hạt nhân, m l  ,   hàm cầu đặc trưng cho phương vị điện tử theo hướng không gian Khi đó, phương trình (1.1) viết thành: 2  l  l  1    Ze2   r     Rnl  r   Εn Rnl  r    2 m r  r  r m r (4  ) r   e e   (1.3) Trong ba số lượng tử n, l m tương ứng gọi số lượng tử chính, số lượng tử quỹ đạo số lượng tử từ (hình chiếu mơ men quỹ đạo lên trục z) Bộ số lượng tử đặc trưng cho trạng thái mà ta xét [13] Để giải phương trình (1.3), ta thực phép biến đổi: Rnl (r )  X nl (r )  X nl r   rRnl r  r (1.4) Thay (1.4) vào (1.3) biến đổi ta được: d X nl  2m e l (l  1)    E n  V r   X nl  dr r    Giả thiết r  V r    chậm (1.5) r (để điện tử không rơi vào hạt nhân), nghĩa r V r   r  Khi hàm sóng Rnl r  hữu hạn tồn khơng gian kể điểm r  Do hàm sóng X nl (r )  rRnl (r ) phải r = 0: X nl 0  (1.6) Phương trình (1.5) có dạng giống phương trình Schrodinger cho hạt chuyển động nửa đường thẳng xuất phát từ trường với điều kiện biên (1.6) - Đối với trường hợp r nhỏ: Khi phương trình (1.5) số hạng ngoặc bỏ qua so với l (l  1) trở thành: r2 d  dRnl r   r   l (l  1) Rnl r   dr  dr  (1.7) Ta tìm nghiệm dạng: Rnl r   r s const (1.8) Thay (1.8) vào (1.7) ta được: ss  1.r s const  l l  1.r s const  (1.9) 65 3.1.5 Cấu hình lại hệ thống để đo phổ tán sắc Để tiến hành đo phổ tán sắc, ta cấu hình lại hệ thống theo mơ hình giao thoa kế Mach-Zehnder Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý giao thoa kế Mach-Zehnder Dùng thêm tách chùm gương phản xạ cho chùm laser dò sau qua buồng mẫu giao thoa với chùm tách không qua buổng mẫu Hình 3.9 Các chùm bơm, chùm dò chùm tách thêm thí nghiệm thực tế đo phổ tán sắc sau hệ thống cấu hình lại 66 3.2 Kết đo 3.2.1 Phổ hấp thụ bão hịa Để có so sánh, trước tiên xét lại khoảng dịch chuyển hai đồng vị 87Rb 85Rb hình 3.8: Hình 3.10 Các khoảng dịch chuyển lý thuyết Rb.[5] Trên thực tế, kết đo đạc có chút khác biệt Minh họa hình 3.11 (a), tương ứng với vạch D2 87 Rb khơng có chùm bơm Như biết, sáu đỉnh từ trái sang phải phổ 87Rb tương ứng với chuyển tiếp F = → F’ = 1, F = → F’ = 1,2, F = → F’ = 1,3, F = → F’ = 2, F = → F’ = 2,3, F = → F’ = Chú ý dịch chuyển F=2→F’ = 1,2, F = → F’ = 1,3 F = → F’ = 2,3 tương ứng với dịch chuyển phổ hấp thụ bão hòa chéo hay bị hiểu lầm Bề rộng vạch phổ lý thuyết, vốn xác định thông qua độ lệch tần dịch chuyển F = → F’ = F = → F’ = 3, lên đến 266,65 MHz So với phổ hấp thụ bão hòa thực tế minh họa đây, độ rộng vạch phổ hẹp nhiều, 34,9 MHz ứng với dịch chuyển chéo F =2→F’=2,3 [9] 67 Hình minh họa 3.11 (b) tương ứng với vạch D2 87Rb có mặt chùm bơm Độ rộng vạch phổ 44,4 MHz ứng với dịch chuyển phổ hấp thụ bão hòa chéo F = → F’ = 2,3 Hình 3.11 Hình minh họa phổ hấp thụ bão hịa vạch D2 Rb thực nghiệm (a) khơng có mặt chùm bơm, (b) có mặt chùm bơm [8] Hình 3.12 Hình minh họa phổ hấp thụ bão hịa vạch D2 Rb thực nghiệm (a) khơng có mặt chùm bơm, (b) có mặt chùm bơm [8] 68 Trên sở đó, quay lại với kết thực tế hệ đo phổ hấp thụ bão hịa thực đại học Vinh, có kết hợp với kết định cỡ phổ theo khoảng phổ tự FSR giao thoa kế Fabry-Perot, thể hình 3.13a: Phổ 87Rb Cường độ Phổ Fabry-Perot Thời gian Hình 3.13a Kết đo phổ hấp thụ bão hịa 87Rb thí nghiệm (có tiến hành định cỡ phổ) Như phân tích với hình mẫu minh họa 3.11ab 3.12ab sẵn có từ trước, kết thí nghiệm thu hình 3.13a khoảng hẹp so với lý thuyết (hình 3.10) Điều lần khẳng định có mặt vạch phổ hấp thụ bão hồ chéo 69 Hình 3.13b Kết đo phổ hấp thụ bão hòa Rb87 từ nguồn thực nghiệm khác: Methods of Experimental Physics course at the University of Minnesota (mxp.physics.umn.edu) 3.2.2 Phổ tán sắc Trong Vật lý học, mối liên hệ hấp thụ tán sắc gọi hệ thức Kramers-Kronig Hệ thức thường ứng dụng vật lý học nghiên cứu điện trường từ trường môi trường vật chất Xét xạ điện từ đơn sắc có biến đổi theo thời gian viết eit biểu diễn phức sóng Cơng thức sau cho thấy mối liên hệ hệ số hấp thụ độ điện thẩm  () : Re{ ( )}    Im{ ( )}  2     Im{ ()} d 2      (3.4)  Re{ ()}   o d 2     Các tích phân tích phân Cauchy  giá trị Cauchy (3.5) 70 Biểu diễn theo hệ số hấp thụ α, chiết suất n tốc độ ánh sáng chân không c: n( )   c    () d 2      (3.6) Điều kiện để f () thỏa mãn liên hệ Kramers-Kronig phải biến đổi Fourier tiến trình vật lý tuyến tính có tính nhân Nếu viết: f ()  f1 ()  if2 () (3.7) với f1 f hàm giải tích thực, liên hệ Kramers-Kronig là: f1 ( )   f ( )     ' f ( ') d '  '2     2  (3.8)  f1 ( ') d '  '2     (3.9) Liên hệ Kramers-Kronig có quan hệ với biến đổi Hilbert, thường áp dụng cho độ điện thẩm  () vật liệu Chú ý là: f ( )   ( )   ( ) 1 0 (3.10) Với  () độ cảm điện môi vật liệu Độ cảm điện mơi coi biến đổi Fourier biến đổi theo thời gian véctơ phân cực vật liệu sau bị tác động xung điện trường Chiết suất định nghĩa với tốc độ pha xạ điện từ vật liệu tần số định Chiết suất vật liệu thay đổi tùy theo tần số xạ điện từ Hiện tượng biết đến, quang học, tán sắc Thông thường, vùng phổ xạ điện từ mà vật liệu tương đối suốt,chiết suất tăng nhẹ theo tần số xạ Gần nơi vật liệu hấp thụ mạnh, liên hệ chiết suất với tần số phức tạp, theo liên hệ Kramers-Kronig, giảm theo tần số 71 Để thể hấp thụ lan truyền xạ vật liệu, chiết suất có ~ thể viết dạng số phức: n  n  i với  hệ số thất thoát, thể phần lượng xạ bị chuyển hóa thành dạng khác, bị tán xạ chệch hướng Cả n κ phụ thuộc tần số (tán sắc) Phần thực phần ảo chiết suất phức liên hệ với qua liên hệ Kramers-Kronig Có thể tính chiết suất phức, theo liên hệ với tần số, qua phổ hấp thụ vật liệu xét Đo đạc chiết suất giúp suy nồng độ dung dịch, nồng độ đường, hay độ tinh khiết hỗn hợp hóa học Số lượng hồng cầu máu ước lượng quan sát ánh sáng đỏ xuyên qua mạch máu đo chiết suất phức máu Một ứng dụng khác tượng suốt cảm ứng điện từ nhóm Harris đề xuất vào năm 1989 kiểm chứng thực nghiệm vào năm 1991 cho nguyên tử Sr Đây kết giao thoa lượng tử biên độ xác suất dịch chuyển dẫn đến suốt môi trường trường quang học Điều khiển hấp thụ tán sắc hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ ý nghiên cứu hai phương diện lý thuyết thực nghiệm hệ nguyên tử khác Trong nhiều nghiên cứu ý đến vấn đề như: tạo chuyển mạch quang học, làm chậm vận tốc nhóm ánh sáng, xử lý thơng tin lượng tử, tăng hiệu suất trình quang phi tuyến, phổ phân giải cao Đặc biệt, đời kỹ thuật làm lạnh nguyên tử laser thời gian gần tạo hệ nguyên tử lạnh (nhiệt độ cỡ μK) mà va chạm dẫn đến biến đổi pha trạng thái lượng tử điện tử bỏ qua Các nhà khoa học kỳ vọng điều tạo bước đột phá ứng dụng vào chế tạo thiết bị quang học có độ nhạy cao Tóm lại, hấp thụ tán sắc hai tham số đặc trưng cho tính chất quang học mơi trường Hai đại lượng có quan hệ mật thiết với 72 theo mối quan hệ nhân biểu thức Kramer-Kronig Thông thường, hệ số hấp thụ hệ số tán sắc biểu diễn tương ứng theo phần ảo phần thực hệ số độ cảm điện môi Những đại lượng đặc trưng cho tương tác nguyên tử với trường kích thích Biên độ đại lượng thay đổi đáng kể lân cận tần số cộng hưởng nguyên tử Khi điều kiện suốt cảm ứng điện từ thiết lập, cơng tua hấp thụ tán sắc điều khiển theo cường độ độ lệch tần trường Các biểu thức 1.99, 1.100, 1.101, 1.102 sở để xét khả điều khiển hệ số hấp thụ hệ số khúc xạ (tán sắc) chùm dò Cường độ Phổ tán sắc Rb87 Thời gian Hình 3.14 Kết đo phổ tán sắc 87Rb thí nghiệm (có tiến hành định cỡ phổ) 73 KẾT LUẬN CHƯƠNG III Chúng xây dựng thành cơng hệ đo phổ hấp thụ bão hịa có tích hợp cấu hình đo tán sắc dựa nguyên tắc giao thoa kế Mach-Zehnder Để tạo mẫu nguyên tử, sử dụng cuvet thạch anh chứa hỗn hợp đồng vị 85 Rb 87Rb điều khiển nhiệt độ miền từ 20oC đến 60oC nhờ nguồn nung có gắn cảm biến điều khiển Với hệ thí nghiệm xây dựng, phổ hấp thụ phổ tán sắc nguyên tử Rb đo trường hợp hấp thụ bão hòa bão hòa chéo Khoảng cách dịch chuyển phổ công tua tán sắc định cỡ theo khoảng phổ tự 380 MHz giao thoa kế Fabry-Perot Độ xác phép định cỡ xác định theo sai số khoảng phổ tự giao thoa kế Fabry-Perot độ rộng laser diode Với phổ hấp thụ bão hịa, có phân tách thành vạch phổ tương ứng với hình thành cặp tán sắc thường dị thường xen kẽ Nhìn chung, độ dốc đường tán sắc có bão hịa khơng nhạy với cường độ chùm laser bơm; cịn vị trí cặp tán sắc thường dị thường nằm cố định phụ thuộc vào khoảng cách mức lượng siêu tinh tế nguyên tử Việc xây dựng hệ thí nghiệm đo đồng thời phổ hấp thụ phổ tán sắc nguyên tử Rb đóng vai trò quan trọng cho nghiên cứu ứng dụng thực tiễn liên quan đến hiệu ứng hấp thụ bão hòa nhiệt độ khác 74 KẾT LUẬN CHUNG Trên cở sở nguyên lý kỹ thuật phổ hấp thụ bão hòa, luận văn xây dựng thành công ̣ thố ng đo phổ bằ ng kỹ thuâ ̣t phổ hấ p thu ̣ baõ hòa tán sắc dựa các thiế t bi ̣ hiê ̣n có ta ̣i phòng thí nghiê ̣m quang ho ̣c quang phổ của trường Đa ̣i Ho ̣c Vinh Hệ đo phổ kỹ thuật hấp thụ bão hòa xây dựng đề tài tương đối đơn giản dễ sử dụng nên dùng cho đào tạo bậc thạc sĩ chuyên ngành quang học Với hệ đo này, quan sát dịch chuyển siêu tinh tế đồng vị 87 Rb Kết hợp với việc định cỡ phổ sử dụng giao thoa kế Fabry-Perot, luận văn xác định có xuất dịch chuyển bão hòa chéo, giúp hiểu rõ phổ hấp thụ bão hòa lý thuyết thực nghiệm Ngoài ra, việc nghiên cứu phổ tán sắc giúp mở thêm hướng nghiên cứu điều kiện suốt cảm ứng điện từ, điều khiển công tua hấp thụ tán sắc theo cường độ độ lệch tần trường ngoài, điều khiển hệ số hấp thụ hệ số khúc xạ (tán sắc) chùm dò có nhiều ứng dụng thực tế 75 PHỤ LỤC Một số thông số liên quan đến hấ p thu ̣ bão hòa phổ nguyên tử Rubidium Bảng Thông số vật lý Rb Thông số vật lý Ký hiệu Số thứ tự nguyên tử Rb87 Rb85 Z 37 37 Z+N 87 85  27,83% 72,17% Thời gian sống hạt nhân n 4.88  1010yr Trạng thái bền Mật độ 250C m 1.53g/cm3 1.53g/cm3 86,909 180 520(15) u 84,911 789 732(14) u Khối lượng nguyên tử m Tổng số nucleons Nồng độ tương đối tự nhiên 1,443160648(72) Spin hạt nhân I Năng lượng Ion hóa giới hạn E1 1025 kg 1,409993199(70) 10 25 3/2 5/2 33 960,804 80(20) cm-1 33 960,804 80(20) cm-1 4,177 127 06(10) eV 4,177 127 06(10) eV kg Bảng Thông tin dịch chuyển D2 (52S1/2 → 52P3/2) Thông số vật lý Tần số Ký hiệu 0 Rb 87 Rb85 2 384, 2304844685  62  THz 2 384, 2304844685  62  THz Năng lượng dịch chuyển 0 1,589 049 462(38) eV 1,589 049 139(38) eV Bước sóng chân  780,241 209 686(13) nm 780,241 368 271(27) nm 780,033 330(23) nm 780,033 489(23) nm 12 816,549 389 93(21) cm−1 12 816,546 784 96(45) cm−1 2π x78,095(12) MHz 2π x 78,095(12) MHz 26.2348(77) ns 26,2348(77) ns 38,117(11) × 106 s−1 38,117(11) × 106 s−1 2π x 6,0666(18) MHz 2π x 6.0666(18) MHz 0,695 77(29) 0,695 77(29) không Bước sóng khơng khí Số sóng (trong chân air kL/2π không) Dịch chuyển đồng vị Thời gian sống Tốc độ phát xạ/ độ rộng đường tự nhiên (FWHM) Nồng độ dao động hấp thụ ω0(87Rb) − ω0(85Rb) τ Γ f 76 Vận tốc giật lùi vr 5,8845 mm/s 6.0230 mm/s Năng lượng giật lùi ωr 2π.3,7710 kHz 2π.3.8597 kHz Nhiệt độ giật lùi Tr 361,96 nK 145,57K 2π.7,5419 kHz 2π.7,7194 kHz 2π.15,0839 kHz 2π.15,4387 kHz ∆ωd Dịch chuyển Doppler (vatom= vr) Tần số dịch chuyển cho sóng dừng chuyển động với vsw = vr ∆ωsw (vsw = vr) Bảng Thông tin dịch chuyển D1 (52S1/2 → 52P1/2) Thông số vật lý Tần số Ký hiệu 0 Rb 87 Rb85 2 384, 2304844685  62  THz 2 384, 2304844685  62  THz Năng lượng dịch chuyển 0 1,589 049 462(38) eV 1,589 049 139(38) eV Bước sóng chân  794,978851156(23) nm 794,979 014 933(96) nm 794,767 119(24) nm 794,767 282(24) nm khơng Bước sóng khơng khí Số sóng (trong chân air kL/2π khơng) Dịch chuyển đồng vị ω0(87Rb) − 12 578,950 981 47(37) cm−1 12 578,948 390 0(15) cm−1 2π.77,583(12) MHz 2π.77.583(12) MHz 26.2348(77) ns 26,2348(77) ns 36,129(35) × 106 s−1 36,129(35) × 106 s−1 2π.5,7500(56) MHz 2π.5,7500(56) MHz f 0,342 31(97) 0,342 31(97) Vận tốc giật lùi vr 5,7754 mm/s 5,9113 mm/s Năng lượng giật lùi ωr 2π.3,6325 kHz 2π.3,7179 kHz Nhiệt độ giật lùi Tr 348,66 nK 356,86 nK 2π.7,2649 kHz 2π.7,4358 kHz 2π.14,5298 kHz 2π.14,8716 kHz Thời gian sống Tốc độ phát xạ/ độ rộng đường tự nhiên (FWHM) Nồng độ dao động hấp thụ Dịch chuyển Doppler Tần số dịch chuyển cho sóng dừng chuyển động với vsw = vr ω0(85Rb) τ Γ ∆ωd (vatom= vr) ∆ωsw (vsw = vr) 77 Bảng 4: phần tử ma trận lưỡng cực, cường độ bão hịa, diện tích phân tán cộng hưởng nguyên tử Rb87 D2(52S1/2  52P3/2) phần tử ma trận dịch chuyển lưỡng cực Tương tác lưỡng cực, cường độ bão hịa diện tích mặt cộng hưởng (F =  F’ = 3) (ánh sáng phân cực đẳng hướng) Tương tác điều khiển xa momen lưỡng cực, cường độ bão hịa diện tích mặt cộng hưởng (F =  F’ = 4) (đường D2, ánh sáng phân cực ) momen lưỡng cực, cường độ bão hịa diện tích mặt cộng hưởng ( chu kỳ dịch chuyển ( ánh sáng phân cực ) D1(52S1/252P1/2) phần tử ma trận dịch chuyển lưỡng cực Tương tác điều khiển xa momen lưỡng cực, cường độ bão hòa diện tích mặt cộng hưởng (đường D1, ánh sáng phân cực ) 78 TÀ I LIỆU THAM KHẢO [1] Đinh Xuân Khoa, “Bài giảng Cấu trúc phổ nguyên tử”, Trường Đại học Vinh, (2007) [2] Đinh Xuân Khoa, Nguyễn Huy Bằ ng, “Bài giảng các kỹ thuật phổ quang học”, Trường Đa ̣i ho ̣c Vinh, (2009) [3] W Demtröder, “Laser spectroscopy”, 3rd, Springer, (1991) [4] TechSpin USER’S MANUAL, “Diode Laser Spectroscopy”, TEACHSPIN, (2011) [5] Tài liệu hãng Standford Research Systems, Thorlabs Moglabs (2011) [6] Nguyễn Văn Ái, “Nghiên cứu thiết kế hệ đo phổ kỹ thuật phổ hấp thụ bão hòa áp dụng cho nguyên tử Rb”, Luận văn thạc sĩ Đại học Vinh, (2011) [7] Daryl W.Preston: “Doppler-free saturated absorption: Laser spectroscopy”, Am.J.Phys Vol 64, No.11, (November 1996) [8] Xiaogang Zhang, Zhiming Tao, Chuanwen Zhu, Yelong Hong, Wei Zhuang, and Jingbiao Chen, “An all-optical locking of a semiconductor laser to the atomic resonance line with 1MHz accuracy”, OPTICS EXPRESS 28010, (7 Nov 2013) [9] Barbara Wolff-Reichert, “Thinking about Saturated Absorption and Crossover Transitions”, www.teachspin.com, (2011) [10] Shannon Roberts, “Saturated absorption spectroscopy of Rb87: Toward a magnetic trap for cold collision studies”, (2011) [11] Bùi Ngọc Tú, “Xây dựng hệ đo phổ siêu tinh tế nguyên tử Rb theo kỹ thuật hấp thụ bão hòa”, Luận văn thạc sĩ Đại học Vinh, (2014) 79 [12] Mansoor Sheik-Bahae, “Nonlinear Optics Basics Kramers-Kronig Relations in Nonlinear Optics”, in: Robert D Guenther (Ed.): Encyclopedia of Modern Optics, Academic Press, Amsterdam (2005), ISBN 0-12-227600-0 [13] Phạm Quý Tư – Đỗ Đình Thanh, “Cơ học lượng tử”, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội, (2005) [14] B.H Bransden, C.J Joachain, “Physics of Atoms and Molecules”, Longman Scientific &Technical, (1990) ... dụng hấp thụ bão hịa phần lớn dựa tính chất tán sắc Tuy nhiên, số nghiên cứu gần [6,11] chưa quan sát bão hòa chéo đặc biệt chưa đo phổ tán sắc Vì vậy, lựa chọn ? ?Xây dựng hệ đo phổ hấp thụ bão hòa. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN TIẾN THIÊN CUNG XÂY DỰNG HỆ ĐO PHỔ HẤP THỤ BÃO HÒA VÀ PHỔ TÁN SẮC CỦA NGUYÊN TỬ 87Rb Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09... thuật phổ phân giải cao thường sử dụng đo phổ kỹ thuật phổ hấp thụ bão hòa Ưu điểm lớn kỹ thuật phổ hấp thụ bão hòa loại bỏ mở rộng Doppler nên quan sát phổ cấu trúc siêu tinh tế nguyên tử Ở Việt