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饱和光谱学是基于单色可调谐激光的光抽运引起的非均匀增宽分子跃迁的选择饱和 在间隔dvz内的速度分量为vz土dvz 0 土 k的分子在吸收态Ei的粒子数密度ni vz dvz被选择地耗尽 这是由于这些分子多普勒频移而与激光频率 共振 并Ei受激到较高能级Ek Ek Ei h 0 因此 单色激光在吸收态的粒子数分布ni vz 上 烧孔 同时在上能态分布nk vz 的同一速度分量vz上形成峰 假设二个激光场同时与分子系统相互作用 如果二个激光频率 1和 2调谐于共用一个公共能级 a 的二个分子跃迁上 则由于场与分子系统的非线性相互作用将出现耦合现象 激光波之一的吸收因另一束波的存在而受到影响 这耦合是由几个不同的效应引起的 第一个耦合效应是由于每个波引起的能级粒子数的选择饱和 例如 当频率 1调谐接近频率为 ab Ea一Eb h的分子跃迁a b时 该波可被速度分量为vz土 vz ab 1土 k1的分子吸收 这就在粒子数分布na vz 上产生Bennet孔 当第二束激光在跃迁a c吸收轮廓上调谐时 Bennet孔使这激光的吸收减少 例如 这能通过跃迁c m的荧光强度的对应减少来监察 由于这粒子数耗尽 吸收系数 n vz ik 0 vz k 将从它的未饱和值 0 减小到饱和值 S 0 1 S0 1 2 n ni gi gk nk 给出二个能级Ei和Ek的粒子数差 S0 S0 是线中心处的饱和参量 S Bik ik R是耗尽吸收速率Bik ik与一切使被耗尽能级Ei再增加粒子数的弛豫过程之和R的比 因为程长dz上吸收的强度为dI S I0 dz 0I0 1 aI0 1 2dz其中 a 2Bik c R 它不再线性地依赖于入射强度I0 所以基于饱和效应的光谱方法通常称为非线性光谱学 这技术可以达到基本上无多普勒的光谱分辨 假设在 z方向上行进的单色激光波E E0cos t一kz 通过在热平衡下的分子 气体样品 以速度v运动的 在能级Ei上的分子的吸收截面是 ik vz h c Bikg 0 k vz 式中函数g 0 k vz S 0 k vz 2 S 2 2 表示Ek Ei分子跃迁的归一化均匀线轮廓均匀线宽度 S 1 S0 1 2其中 a c由自然线宽度 n 碰撞增宽 c和饱和增宽确定 在足够低的压强和足够小的激光强度下 压致增宽和饱和增宽都可忽略 只要分子与辐射场的相互作用时间比自发寿命长 以致飞行时间增宽能够忽略 均匀线宽度 S接近自然线宽度 n 在可见区域 n比多普勒线宽小几个放量级 因为对于 0 kvz g 0 k vz 具有最大 所以具有速度分量vz 0 k的那些分子具有最大的吸收几率 这意味着在粒子数分布n vz 上将出现其中心位于vz 0 k处的孔 该孔宽度为 S 其深度依赖于 0处的饱和参量S0 差值 n0 vz ni vz gi gk nk vz 减小到它的饱和值 n0 vz dvz n0 vz 1 2 2 0 k vz 2 2 2 dvz C N0 1 2 2S0 0 k vz 2 S 2 2 exp vz vp 2dvz其中vp 2kT m 1 2和 N0 n0 vz dvz 这 Bennet孔 的光谱宽度 S表示分子跃迁的均匀线宽度 在可见区域由于 S趋于 n 也就远小于多普勒线宽 为了探测在粒子数分布ni vz 上 被所谓抽运波烧出的这Bennet孔 必须将称为探测的第二个光波注入到样品中 以探测孔中的粒子数耗尽 这探测波可以从提供抽运波的同一台激光器中分出来 也可来自另一台激光器 在简易装置中 用镜将抽运波反射回样品 由于反射波E E0cos t kz 具有相反的波矢 k 它与中心在 vz附近的另一组分子相互作用 因此 只要 0 粒子数分布ni vz 土i 0 k处烧出二个不同的孔 当 0时 这二个孔在线中心vz 0处重叠 虚线 二个反向传播波的叠加E E0cos t kz E0 t kz 代表驻波场 现在 关键是对于 0这个场的吸收 指二个反向波的总吸收 具有最小 在这种情形中 二束波就与同样的分子相互作用 因此 这些分子受到二倍光强的辐照 这意味着饱和参量S成为二倍那样大 因此 对于vz 0的耗尽数 n vz 0 比对于vz 0的大 N S nS vz 0 k vz 0 k vz dvz nS vz n0 vz 1 S 2 2S0 0 k vz 2 S 2 2 S 2 2S0 0 k vz 2 S 2 2 弱场近似 S0 1 S 0 1 S0 2 1 S 2 2 0 2