Dopplerfreie Sättigungsspektroskopie

Die Dopplerfreie Sättigungsspektroskopie ist ein hochauflösendes spektroskopisches Verfahren zur Untersuchung atomarer Spektren. Sie vermeidet dabei durch eine geschickte Anordnung den bei herkömmlicher Laserspektroskopie störenden Dopplereffekt. Dadurch ist es mit dieser Spektroskopie möglich, Effekte wie die Hyperfeinstruktur und die natürliche Linienbreite atomarer Spektren zu vermessen.

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Dopplerverbreiterung

Bei einfacher Laserspektroskopie wird die Absorption eines durchstimmbaren Lasers beim Durchgang durch das zu untersuchende Medium gemessen. Aufgrund der Dopplerverbreiterung hat das so erhaltene Absorptionsprofil allerdings eine geringe Auflösung, da die Verbreiterung meist im Bereich einiger hundert Megahertz liegt.

Das Verfahren

Das Verfahren der Dopplerfreien Sättigungsspektroskopie basiert auf der Verwendung von zwei Laserstrahlen gleicher Frequenz aber stark unterschiedlicher Intensität. Dabei nennt man den stärkeren Strahl Pumpstrahl oder auch Sättigungsstrahl, den schwächeren nennt man Teststrahl oder Abfragestrahl.

Die Laser werden nahezu parallel, aber in entgegengesetzter Richtung, auf die Probe gerichtet, so dass sie sich darin schneiden. Haben beide Laser die Frequenz f und ist f₀ eine Absorptionsfrequenz der Probe, dann gibt es nun zwei Fälle:

• : In diesem Fall werden beide Strahlen aufgrund des optischen Dopplereffekts von sich bewegenden Teilchen absorbiert. Diese Absorptionslinien zeigen das durch die Dopplerverbreiterung bedingte gaußförmige Profil. Da sich die Strahlen unter annähernd schneiden, werden sie jeweils von sich mit entgegengesetzten Geschwindigkeiten bewegenden Teilchen absorbiert. Die beiden Strahlen beeinflussen sich daher kaum merklich.
• f = f₀: In diesem Fall werden beide Strahlen von den relativ zur Strahlenrichtung ruhenden Teilchen absorbiert. Aufgrund der hohen Intensität des Sättigungsstrahls kommt es zu einer großen Zahl angeregter Zustände, wobei das untere Niveau entvölkert wird. Der schwächere Teststrahl wird dann kaum noch absorbiert. Im Absorptionsprofil zeigt sich in der ursprünglich dopplerverbreiterten Kurve ein starker Einschnitt, der sogenannte Lamp-Dip in der Form der natürlichen Linienbreite.

  Bildet man im Fall der Resonanz f = f₀ die Differenz der Absorptionslinien mit und ohne Sättigungsstrahl, erhält man ein Absorptionsprofil ohne Dopplerverbreiterung. Die Breite der Linien ist jetzt nur noch durch deren natürliche Linienbreite gegeben, so dass hochauflösende Spektroskopie möglich wird. Die Beispielabbildung zeigt dies am Beispiel der Hyperfeinstruktur des Rubidiums im ersten angeregten Zustand. Die rote Kurve zeigt das Absorptionsverhalten mit, die blaue Kurve ohne zugeschalteten Sättigungsstrahl.

Siehe auch

• Laserspektroskopie
• Dopplerverbreiterung