포화 흡수 분광학 문서 원본 보기

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[[원자 물리학]]에서 '''포화 흡수 분광''' 이나 '''도플러 제거 분광학'''은 바닥상태와 광학적으로 [[들뜬 상태]]의 [[원자]]의 전이 진동수를 정확하게 결정하게 해주는 방법이다. 진동수가 결정되는 것에 관한 정확성은 흥분 상태의 너비에 의해 제한된다. 일반적으로 실온에 있는 원자 기체의 진동수 분포는 [[도플러 효과]] 때문에 매우 넓게 측정된다. 포화 흡수 분광학은 원자 수준에서의 샘플을 도플러 선폭증대 효과가 더 이상 영향을 못하는 온도까지 냉각시키지 않고도 정확한 [[분광학]]을 할 수 있게 해준다. 포화 흡수 분광학은 또한 [[레이저]]의 진동수를 원자 전이의 정확한 파장에 고정하는데 사용된다.

== 원자 흡수 스펙트럼의 도플러 선폭증대 효과 ==
{{본문|도플러 선폭증대 효과}}
[[전자기장]]에서 상호작용하는 원자의 설명에 따르면, 원자에 의한 빛의 흡수는 흔히 있는 광자의 진동수에 달려있다. 실온의 원자 수증기는 속도의 분포는 [[맥스웰 볼츠만 분포]]를 따른다.

:<math> n(v) dv= \frac{Nm}{\sqrt{2\pi k_B T}}e^{-\frac{mv^2}{2k_B T}} dv,</math>

<math>N</math> 원자의 수, <math>k_B</math> 은 [[볼츠만 상수]], 그리고 <math>m</math> 은 원자의 질량이다. [[도플러 효과]] 공식에 따르면 상대론적이지 않은 속도이다.

:<math> \omega_{lab}=\omega_0\left(1\pm\frac{v}{c}\right),</math>

<math>\omega_0</math>은 원자의 공명 진동수이다.
:<math> \Delta\omega_{lab} =  \omega_0 \sqrt{\frac{8k_BT \ln 2 }{mc^2}} </math>

상온에서의 루비듐 원자에 해당한다.

:<math>\Delta\omega_{lab}\approx 2\pi\cdot 500 \mbox{ MHz}\gg\Gamma/2\approx 2\pi\cdot 3 \mbox{ MHz}</math>

그리하여 원자의 수증기의 흡수의 최댓값을 조사하는데 어떠한 특별한 조작 없이, 측정의 불확실성은 도플러 선폭증대 효과에 의해 제한되지 근본적인 공명의 너비에 의해서는 제한되지 않는다.

==포화 흡수 분광법의 원리==

물리 실험에서 도플러 선폭증대 효과를 이겨내기 위해서 샘플을 밀리켈빈 온도까지 낮추는 것 없이, 고전적이지만 일반적인 방법이 사용된다. 비교적 높은 강도를 가진, 펌핑 광이라고 알려져 있는 레이저는 원자 증기를 통과하게 된다. 또 다른 반대 방향의 프로브 광이라고 알려져 있는 약한 빛은 또한 원자 증기를 같은 진동수로 통과하게 된다. 프로브 광의 흡수는 다양한 진동수로 광 다이오드에 기록된다.
두 빛이 같은 진동수임에도 불구하고 자연적인 [[열운동]] 때문에 그 둘은 다른 원자와 상호작용한다. 만약 빛들이 원자의 공명 진동수에 대해 [[적색 편이]] 되어있다면, 원자의 운동 방향과 반대 방향의 빛은 도플러 효과에 의해 적색 편이된 빛이 원자가 느끼기에 진동수가 더 높아지게 되고 흡수될 수 있다. 만약 빛이 [[청색 편이]] 되어있다면, 그 반대가 된다.

[[파일:Exemple absorption saturée.png|right|thumb|250px| 루비듐 85에서 광 다이오드에 기록되는 프로브 광 흡수그래프이다.]]

그러나, 만약 레이저가 거의 공명한다면 이 두 빛들은 속력 벡터가 레이저의 방향과 거의 수직을 이루는 원자들과 동시에 상호작용한다. 원자 전이의 비슷한 두 상태에서, 강한 펌핑 광은 많은 원자들을 흥분 상태로 만든다. ; 바닥 상태의 원자 수와 흥분 상태의 원자 수가 거의 같을 때, 전이는 포화된다고 말할 수 있다. 프로브 광으로부터 나오는 광자가 원자를 통과하고 프로브 광이 원자를 만난다면 원자가 흥분 상태에 이미 있을 확률이 높고 그리하여  [[유도 방출]]이 일어날 것이다. 그리고 레이저의 진동수가 원자의 공명 진동수 일 때,  흡수 그래프에서 조금 움푹 파인 부분이 각 원자 전이에서 관측될 것이다. (일반적으로 [[초미세 구조]] ) 펌핑 광이 셀수록, 넓고 깊이 움푹 파인 부분이 생긴다. 완벽한 조건에서, 움푹 파인 부분의 너비는 자연 선폭에 근접할 수 있다.<ref name="preston">{{저널 인용| author = Daryl W. Preston | year = 1996 | month = November | title = Doppler-free saturated absorption: Laser spectroscopy | journal = American Journal of Physics | volume = 64 | issue = 11 | pages = 1432–1436 | url = http://academic.reed.edu/physics/courses/Physics332.s10/pdf/Doppler_Free.pdf|bibcode = 1996AmJPh..64.1432P |doi = 10.1119/1.18457 }}</ref>

두 상태 이상을 가지는 시스템에서 반대 방향으로 쏘아주는 방법에서 크로스오버 선이 생긴다. 두 전이가 하나의 도플러 선폭증대 효과에 의해 일어나고 모두 바닥 상태를 공유할 때, 정확히 두 전이 사이의 진동수에서 크로스 오버 피크가 나타날 수 있다. 펌핑광과 프로브 광을 둘 다 공명하는 것으로 보는 움직이는 원자들 때문에 이런 일이 발생하게 된다. 펌핑 광은 바닥 상태의 숫자를 줄이고 이 때문에 프로브 광은 펌핑 광 때문에 더 적은 숫자의 바닥 상태의 원자들을 만나게 된다. 그리고 프로브 광의 흡수는 줄어들게 된다. 이 크로스오버 피크는 종종 원래의 포화 흡수 피크보다 더 세다. .<ref name="preston" />

== 실험의 구현 ==
펌핑광과 프로브 광이 같은 정확한 진동수를 가져야 한다. 이러기 위한 가장 편리한 방법은 두 빛이 같은 레이저로부터 오게 하는 것이다. 프로브 광은 세기를 줄이기 위해 필터를 통과하는 펌핑 광의 반사된 부분에서 만들어진다.레이저의 진동수를 미세 조정하기 위해서, [[압전변환기]]를 가지고 있고 공진구조를 조정할 수 있는 레이저 다이오드가 사용된다. 실제 원자에서 항상 두 개의 다른 에너지 레벨이 있다. 거의 레이저 진동수에 의해서 분리되는 그리고 그들중 조금의 에너지 공간은 아주 작을 수 있다.(e.g. 흥분 상태의 알칼리 원자는 [[초미세 구조]] 때문에 수백 메가 헤르츠로 분리되어 나뉜다.) 이 새로운 공명 때문에 크로스오버 공명 말고도 다른 움푹 파인 부분의 환영이 생긴다.

== 각주 ==
* [http://www.phys.ufl.edu/courses/phy4803L/group_III/sat_absorbtion/SatAbs.pdf Saturated Absorption Spectroscopy of Rubidium ]

{{각주}}

{{전거 통제}}

[[분류:원자물리학]]