La espectroscopia de absorción saturada mide la frecuencia de transición de un átomo o molécula entre su estado fundamental y un estado excitado . En la espectroscopia de absorción saturada, se envían dos rayos láser superpuestos que se propagan en sentido contrario a través de una muestra de gas atómico. Uno de los rayos estimula la emisión de fotones en átomos o moléculas excitados cuando la frecuencia del láser coincide con la frecuencia de transición. Al cambiar la frecuencia del láser hasta que aparezcan estos fotones adicionales, se puede encontrar la frecuencia de transición exacta. Este método permite mediciones precisas a temperatura ambiente porque es insensible al ensanchamiento Doppler . La espectroscopia de absorción mide la transición ampliada por Doppler, por lo que los átomos deben enfriarse a temperaturas de mikelvin para lograr la misma sensibilidad que la espectroscopia de absorción saturada.
Para superar el problema del ensanchamiento Doppler sin enfriar la muestra a temperaturas de mikelvin, se utiliza un esquema clásico de bomba-sonda. Se envía un láser con una intensidad relativamente alta a través del vapor atómico, conocido como haz de bomba. Otro haz débil que se propaga en sentido contrario también se envía a través de los átomos a la misma frecuencia, conocido como haz sonda. La absorción del haz de sonda se registra en un fotodiodo para varias frecuencias de los haces.
Aunque los dos haces tienen la misma frecuencia, se dirigen a átomos diferentes debido al movimiento térmico natural . Si los haces están desafinados al rojo con respecto a la frecuencia de transición atómica, entonces el haz de bombeo será absorbido por los átomos que se mueven hacia la fuente del haz, mientras que el haz de la sonda será absorbido por los átomos que se alejan de esa fuente a la misma velocidad en el direccion opuesta. Si los haces están desafinados del azul, ocurre lo contrario.
Sin embargo, si el láser está aproximadamente en resonancia, estos dos haces se dirigen a los mismos átomos, aquellos con vectores de velocidad casi perpendiculares a la dirección de propagación del láser. En la aproximación de dos estados de una transición atómica, el fuerte haz de bombeo hará que muchos de los átomos estén en estado excitado; cuando el número de átomos en el estado fundamental y en el estado excitado es aproximadamente igual, se dice que la transición está saturada. Cuando un fotón del haz de la sonda pasa a través de los átomos, hay muchas posibilidades de que, si encuentra un átomo, el átomo esté en estado excitado y, por lo tanto, experimente una emisión estimulada , con el fotón atravesando la muestra. Por lo tanto, a medida que la frecuencia del láser recorre la resonancia, se observará una pequeña caída en la característica de absorción en cada transición atómica (generalmente resonancias hiperfinas ). Cuanto más fuerte es el haz de la bomba, más amplias y profundas se vuelven las caídas en la característica de absorción ampliada por el Doppler gaussiano. En condiciones perfectas, el ancho de la inmersión puede acercarse al ancho de línea natural de la transición. [1]
Una consecuencia de este método de contrapropagación de haces en un sistema con más de dos estados es la presencia de líneas cruzadas. Cuando dos transiciones están dentro de una única característica ampliada por Doppler y comparten un estado fundamental común, puede ocurrir un pico de cruce en una frecuencia exactamente entre las dos transiciones. Este es el resultado de que los átomos en movimiento vean los haces de la bomba y la sonda resonantes con dos transiciones separadas. El haz de bombeo puede hacer que el estado fundamental se despuebre, saturando una transición, mientras que el haz de sonda encuentra muchos menos átomos en el estado fundamental debido a esta saturación y su absorción cae. Estos picos de cruce pueden ser bastante fuertes, a menudo más fuertes que los picos principales de absorción saturada. [1]
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 transiciones de línea D de rubidio comunes [2] ). 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,
¿Dónde está la frecuencia de 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 una gaussiana de anchura total a la mitad del máximo.
Para un átomo de rubidio a temperatura ambiente, [3]
Por lo tanto, sin ningún truco especial en la configuración experimental para sondear el máximo de absorción de un vapor atómico, la incertidumbre de la medición estará limitada por el ensanchamiento Doppler y no por la anchura fundamental de la resonancia.
Como la bomba y el haz de la sonda deben tener exactamente la misma frecuencia, la solución más conveniente es que provengan del mismo láser. El haz de la sonda puede estar formado por un reflejo del haz de la bomba que pasa a través de un filtro de densidad neutra para reducir su intensidad. Para ajustar la frecuencia del láser, se puede utilizar un láser de diodo con un transductor piezoeléctrico que controla la longitud de onda de la cavidad. Debido al ruido del fotodiodo, la frecuencia del láser se puede barrer a lo largo de la transición y la lectura del fotodiodo se puede promediar a lo largo de muchos barridos.
En los átomos reales, a veces hay más de dos transiciones relevantes dentro del perfil Doppler de la muestra (por ejemplo, en átomos alcalinos con interacciones hiperfinas ). Esto generará la aparición de otras caídas en la característica de absorción debido a estas nuevas resonancias además de las resonancias cruzadas.
