5. Bố cục luận án
1.8.1.Nguyên lý phổ hấp thụ bão hòa
29
Phổ hấp thụ bão hòa là kỹ thuật đơn giản nhất thường được sử dụng để đo các vạch phổ siêu hẹp của nguyên tử chỉ bị hạn chế bởi độ rộng tự nhiên của dịch chuyển (khử được ảnh hưởng của Doppler). Sơ đồ nguyên lý để đo phổ hấp thụ bão hòa được mô tả như hình 1.7.
Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật phổ hấp thụ bão hòa.
Một chùm laser có cường độ mạnh đóng vai trò là chùm laser bơm và một chùm laser dò có cường độ rất yếu được tách ra từ cùng một chùm laser nên chúng có cùng tần số. Chùm laser bơm và chùm laser dò được truyền qua mẫu hơi nguyên tử theo hai chiều ngược nhau. Tín hiệu của chùm laser dò được thu bởi một đầu thu quang.
Các nguyên tử trong bình mẫu chuyển động nhiệt hỗn loạn do đó, số nguyên tử có vận tốc trong khoảng dv tuân theo phân bố theo định luật phân bố Boltzmann 2/ 2 0 2 mv k TB B m dn n e dv k T . (1.47)
Chiếu chùm ánh sáng bước sóng vào buồng mẫu nguyên tử. Các nguyên tử đứng yên chỉ hấp thụ những bức xạ có tần số bằng tần số cộng hưởng 0. Dưới ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler, các nguyên tử chuyển động với vận tốc v sẽ “nhìn thấy” bức xạ với tần số: 1 D v c , (1.48) Bình hơi Photodiode Chùm bơm Chùm dò
30
trong đó, dấu cộng ứng với trường hợp nguyên tử chuyển động ngược chiều với bức xạ và dấu trừ cho trường hợp nguyên tử chuyển động cùng chiều bức xạ. Như vậy, chỉ những nguyên tử chuyển động với vận tốc v thỏa mãn điều kiện D = 0 thì hấp thụ ánh sáng và chuyển lên mức năng lượng trên. Tức là với những nguyên tử chuyển động với vận tốc:
0 1 v c , (1.49)
hấp thụ bức xạ có tần số và dịch chuyển lên mức trên. Do trường laser dò và laser bơm có cùng tần số nên sẽ xẩy ra trên cùng một dịch chuyển. Hơn nữa, chùm laser bơm có cường độ mạnh hơn rất nhiều so với chùm dò dẫn đến sự bão hoà đối với chùm laser dò và tạo ra trên công tua phân bố độ cư trú một lỗ trũng như được minh hoạ trên hình 1.8.
Hình 1.8. Công tua phân bố mật độ nguyên tử theo vận tốc khi được kích thích bởi bức xạ có tần số [55].
Trong trường hợp tần số bức xạ của trường bơm và trường dò khác tần số cộng hưởng thì cả trường bơm và trường dò sẽ bị các nguyên tử chuyển
31
động với vận tốc thoả mãn (1.49) hấp thụ và chuyển lên mức trên. Còn trong trường hợp tần số của trường bơm và trường dò bằng tần số cộng hưởng thì chỉ các nguyên tử chuyển động với vận tốc bằng không sẽ hấp thụ bức xạ. Khi cường độ chùm bơm đủ lớn thì trạng thái bão hòa được thiết lập do đó khi chùm dò đi qua thì hầu như chúng không bị các nguyên tử ở mức dưới hấp thụ. Lúc này ta sẽ quan sát được cường độ ra của chùm dò là lớn nhất tại tần số dịch chuyển nguyên tử, tức là xuất hiện một các dip trên công tua phổ hấp thụ, như minh hoạ trên hình 1.9. Phổ quan sát được sẽ là phổ của các nguyên tử chuyển động với vận tốc bằng không nên đã bỏ qua được hiệu ứng Doppler.
Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý phổ hấp thụ bão hòa: (a) công tua phổ hấp thụ của trường dò, (b) công tua phân bố mật độ nguyên tử theo vận tốc [55].
32