4. Phương pháp nghiên cứu
3.1. Khảo sát phổ hấp thụ và tán sắc
3.1.1. Quy trình đo phổ
Sơ đồ quang học dùng để khảo sát phổ hấp thụ và tán sắc được mô tả trong Hình 2.33 và Hình 2.34. Khi thực hiện đo phổ hấp thụ và phổ tán sắc của môi trường nguyên tử Rubi, chúng tôi sử dụng hệ laser DL1 của hãng TeachSpin. Do tần số phát laser phụ thuộc vào sự ổn định của các tham số của nguồn nuôi nên nguồn laser phải được khởi động tối thiểu 30 phút trước khi tiến hành các thao tác tiếp theo.
Bước 1: Khởi động nguồn laser, tăng cường độ dòng điện cho đầu phát
laser lên 2.4 mA (ngưỡng phát laser điốt của hãng Teachspin), quan sát chùm laser bằng CCD camera, nếu quan sát thấy tín hiệu laser thay đổi sáng-tối theo quy luật thể hiện laser đã phát. Trong trường hợp thấy cường độ chùm laser không thay đổi, tức là buồng cộng hưởng laser chưa thỏa mãn điều kiện cộng hưởng để phát laser, thì chúng ta cần điều chỉnh góc quay của gương nhiễu xạ,
tìm vị trí để có tín hiệu phát cực đại (đối với hệ laser chúng tôi đã lắp ráp ổn định, thơng thường q trình này khơng cần phải thực hiện lại).
Bước 2: Tăng cường độ dòng điện cấp cho đầu phát laser DL1 lên cỡ
5.26 mA, khi này bước sóng của laser sẽ thay đổi đến khoảng 780.24 nm, dùng camera CCD thu phổ phát xạ huỳnh quang của nguyên tử Rubi. Điều chỉnh tần số của laser DL1 sao cho tín hiệu hiển thị trên màn hình CCD là một đường sáng nhấp nháy liên tục.
Bước 3: Khi đã quan sát thấy xuất hiện phổ huỳnh quang của nguyên
tử Rubi ứng với bước sóng 780.24 nm, chúng ta điều chỉnh chùm laser đi vào giao thoa kế Fabry-Pérot sao cho tín hiệu phổ thu được xuất hiện vân giao thoa có tín hiệu lớn nhất. Điều chỉnh miền qt tần số của laser đến giá trị khoảng 10 GHz.
Bước 4: Điều chỉnh các nhánh của giao thoa kế MZI sao cho chùm tia
của hai nhánh giao thoa sau khi đi ra BS4 trùng khít lên nhau, để hiệu quang trình nhỏ hơn 0.5 cm, như đã lập luận đưa ra trong mục 1.1.
Bước 5: Điều chỉnh cường độ của chùm laser. Đối với chùm laser dò,
cường độ phải nhỏ hơn cường độ bão hòa Isat = 2 mW/cm2, trong thiết lập này cường độ chùm laser dị ln được điều chỉnh nhỏ hơn 0.1 mW/cm2 với mục đích tránh hiệu ứng tự hội tụ của chùm tia.
Bước 6: Kết nối Photodetector với dao động ký điện tử. Trong hệ thí
nghiệm này Photodetector được để ở chế độ có trở kháng nằm trong khoảng từ 100 K đến 1 M tùy vào cường độ tín hiệu chùm laser dò.
3.1.2. Phổ hấp thụ và tán sắc
Tiến hành thực hiện các bước thao tác như trên mục 3.1.1 chúng tơi thu được hình ảnh phổ hấp thụ (a) và phổ tán sắc (b) của nguyên tử Rubi như Hình 3.1.
Hình 3.1 Phổ hấp thụ (a) và phổ tán sắc (b) của nguyên tử Rubi.
Hình 3.1a là kết quả của phép đo phổ hấp thụ của nguyên tử Rubi ứng fvới các dịch chuyển 52S1/2(F = 2) 52P3/2(F = 1, 2, 3) của nguyên tử 85Rb và
2kBT ln 2 mc2
52S1/2(F = 3) 52P3/2(F = 2, 3, 4) của nguyên tử 87Rb tại nhiệt độ T = 300 K. Tín hiệu của giao thoa kế Fabry-Pérot với khoảng phổ tự do 380 MHz. Kết quả phép đo cho thấy độ rộng Doppler của nguyên tử 85Rb là 609 1 MHz và độ rộng Doppler của nguyên tử của 87Rb là 617 1 MHz. So với dịch chuyển Doppler của vạch siêu tinh tế ứng với tần số trung tâm f0 = 384.230 THz, sử dụng biểu thức tính độ rộng Doppler D 2.
f0 , ta thu được độ rộng
Doppler của vạch hấp thụ đối với các đồng vị 85Rb và 87Rb lần lượt là 517 MHz và 511 MHz. Sự khác nhau giữa kết quả đo và giá trị tính tốn là do sự tách giữa các mức siêu tinh tế ở trạng thái 52P3/2(F = 2, 3, 4) của nguyên tử 85Rb là 184 MHz và ở trạng thái 52P3/2(F = 1, 2, 3) của nguyên tử 87Rb là 432 MHz. Khi xét đến sự tách của các mức siêu tinh tế ở trạng thái kích thích, chúng ta thu được độ rộng Doppler của các đồng vị 85Rb và 87Rb lần lượt là 601 MHz và 608 MHz (xem phục lục A), điều này cho thấy rằng kết quả quan sát được phù hợp với tính tốn lý thuyết.
Hình 3.1b là kết quả phép đo phổ tán sắc của nguyên tử 85Rb (ứng với dịch chuyển F = 3 F = 2, 3, 4) và của nguyên tử 87Rb (ứng với dịch chuyển F = 2 F = 1, 2, 3) tại nhiệt độ T = 300 K. Chúng ta thấy xung quanh đỉnh phổ hấp thụ xuất hiện một miền tán sắc dị thường, độ dốc miền tán sắc dị thường của nguyên tử 85Rb lớn hơn độ dốc miền tán sắc dị thường của nguyên tử 87Rb do cường độ vạch phổ nguyên tử của nguyên tử 85Rb lớn hơn cường độ vạch phổ nguyên tử của nguyên tử 87Rb.
Như vậy, hệ số hấp thụ và hệ số tán sắc của môi trường phụ thuộc vào tần số của chùm laser dò. Khi tần số của laser dò trùng với tần số dịch chuyển của nguyên tử, hệ số hấp thụ của mơi trường tăng, cịn ở xa tần số dịch chuyển, hệ số hấp thụ giảm. Theo đó, xung quanh tần số của các dịch chuyển cộng
hưởng xuất hiện các miền tán sắc dị thường. Các kết quả này phù hợp với mơ hình lý thuyết của nhà bác học Lorentz.