Labforsøk Fysikk: Spektroskopi (Kan 2024)
Teknikker for å skaffe Doppler-fri spektre
Den høye intensiteten av lasere tillater måling av Doppler-frie spektre. En metode for å gjøre slike målinger, oppfunnet av Theodore Hänsch fra Tyskland og Christian Borde, Frankrike, er kjent som metningspektroskopi (se figur 2). Her ledes en intens, monokromatisk lysstråle inn i prøven gasscelle. Hvis frekvensspredningen av lyset er mye mindre enn den Doppler-utvidede absorpsjonslinjen, vil bare de atomer med en smal hastighetsspredning bli begeistret, siden de andre atomene vil bli Doppler-forskjøvet ut av resonans. Laserlys er intenst nok til at en betydelig brøkdel av atomene som er resonant for lyset vil være i begeistret tilstand. Med denne høye eksitasjonen sies atomene å være mettede, og atomer i mettet tilstand absorberer mindre lys.
Hvis en svakere sonde-laserstråle blir rettet inn i prøven i motsatt retning, vil den samvirke med atomene som har passende Doppler-skift for å være resonans med lyset. Generelt vil disse to frekvensene være forskjellige slik at sondestrålen vil oppleve en absorpsjon som ikke påvirkes av den sterkere metningsstrålen. Hvis laserfrekvensen er innstilt til å være resonant med begge bjelker (dette kan bare skje når hastigheten i forhold til retningen til de to strålene er null), metter den intense strålen de samme atomer som normalt ville absorbere sondestrålen. Når frekvensen til laseren er innstilt på frekvensen til atomene som beveger seg med null hastighet i forhold til laserkilden, øker transmisjonen av sondestrålen. Dermed kan absorpsjonsresonansen til atomene, uten utvidelse fra Doppler-effekten, observeres. Figur 1C viser de samme hydrogenspektraene tatt med metningspektroskopi.
I tillegg til metningspektroskopi, er det en rekke andre teknikker som er i stand til å oppnå Doppler-frie spektre. Et viktig eksempel er to-fotonspektroskopi, en annen form for spektroskopi som ble gjort mulig av høye intensiteter tilgjengelig med lasere. Alle disse teknikkene er avhengige av det relative Doppler-skiftet av motforplantningsbjelker for å identifisere riktig resonansfrekvens og har blitt brukt til å måle spektre med ekstremt høy nøyaktighet. Disse teknikkene kan imidlertid ikke eliminere en annen type Doppler-skift.
Denne andre typen frekvensforskyvning forstås som en tidsutvidelseseffekt i den spesielle relativitetsteorien. En klokke som beveger seg med hensyn til en observatør ser ut til å løpe saktere enn en identisk klokke i ro i forhold til observatøren. Siden frekvensen assosiert med en atomovergang er et mål på tid (en atomur), vil et bevegelig atom se ut til å ha en litt lavere frekvens i forhold til observatørens referanseramme. Tidsdilatasjonen kan minimeres hvis atomets hastighet reduseres betydelig. I 1985 demonstrerte den amerikanske fysikeren Steven Chu og kollegene at det er mulig å avkjøle frie atomer i en damp til en temperatur på 2,5 × 10 −4 K, hvor de tilfeldige atomhastighetene er omtrent 50 000 ganger mindre enn ved romtemperatur. Ved disse temperaturene reduseres tidsutvidelseseffekten med en faktor 10 8, og utvidelsen av Doppler-effekten reduseres med en faktor 10 3. Siden har temperaturer på 2 × 10-8 K blitt oppnådd med laserkjøling.
Pulsede lasere
Ikke bare har lasere økt frekvensoppløsningen og følsomheten til spektroskopiske teknikker, de har utvidet muligheten til å måle forbigående fenomener i stor grad. Pulsede, såkalte modus-låste, lasere er i stand til å generere et kontinuerlig tog av pulser der hver puls kan være så kort som 10 −14 sekunder. I et typisk eksperiment brukes en kort lyspuls for å begeistre eller på annen måte forstyrre systemet, og en annen lyspuls, forsinket med hensyn til den første pulsen, brukes til å undersøke systemets respons. Den forsinkede pulsen kan genereres ved ganske enkelt å lede en del av lyspulsen med et delvis reflekterende speil (kalt en strålesplitter). De to separate pulsene kan deretter rettes mot prøven som er undersøkt der banen som er tatt av den første eksitasjonspulsen er litt kortere enn banen som er tatt av den andre sondepuls. Den relative tidsforsinkelsen mellom de to pulser blir kontrollert ved å variere banelengdeforskjellen til de to pulser. Avstanden som tilsvarer en 10 −14 sekunders forsinkelse (lysets hastighet multiplisert med tidsforskjellen) er tre mikrometer (1,2 × 10 −4 tommer).
