Dopplerfreie Sättigungsspektroskopie

Die Dopplerfreie Sättigungsspektroskopie, oft auch kurz Sättigungsspektroskopie, ist in der Laserspektroskopie ein hochauflösendes spektroskopisches Verfahren zur Untersuchung atomarer Spektren, bei dem durch geeigneten Versuchsaufbau die Effekte der Dopplerverbreiterung vermieden werden. Das Verfahren ermöglicht, Effekte wie die Hyperfeinstruktur und die natürliche Linienbreite atomarer Spektren zu vermessen.

Experimenteller Aufbau

Prinzipieller Messaufbau

Der prinzipielle Aufbau bei der Sättigungsspektroskopie besteht darin, dass ein durchstimmbarer Laser durch einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen unterschiedlicher Intensität aufgespalten wird. Beide Teilstrahlen werden über Spiegel so umgelenkt, dass sie parallel, aber gegenläufig durch die zu vermessende Probe (z. B. ein Gas) verlaufen. Dabei nennt man den stärkeren Strahl Pump- oder auch Sättigungsstrahl, den schwächeren Test-, Abfrage- oder Probestrahl. Der Probestrahl wird in ein Spektrometer geleitet, an dem abgelesen werden kann, welche Frequenzen in der Probe absorbiert wurden.

Alternativ ist es möglich, ohne Verwendung eines Strahlteilers zwei Laser mit gleicher Frequenz zu benutzen. Dabei muss allerdings zusätzlich sichergestellt werden, dass beide Laser tatsächlich mit derselben Frequenz betrieben werden, was einen größeren Aufwand erfordert.

Die Verwendung zweier gegenläufiger Strahlen stellt den Unterschied zur „normalen“ Spektroskopie dar, bei der nur ein einzelner Strahl durch die Probe direkt in den Detektor gelenkt wird.

Beobachtung und Erklärung

Absorptionsspektren des ersten angeregten Zustands von Rubidium: die mit herkömmlicher Laser­spektroskopie (blau) nicht sichtbare Hyperfeinstruktur wird erst durch die Dopplerfreie Sättigungs­spektroskopie (rot) aufgelöst.

Zur Beschreibung verwendet man die Betrachtung unterschiedlicher Geschwindigkeitsklassen der Teilchen der Probe. Haben sowohl Pump- als auch Abfragestrahl die Frequenz $ f $ und ist $ f_{0} $ eine Absorptionsfrequenz der Probe, dann können nur zwei Fälle auftreten:

• $ f\neq f_{0} $: Beide Strahlen werden aufgrund des optischen Dopplereffekts von sich entgegengesetzt bewegenden Teilchen, also unterschiedlichen Geschwindigkeitsklassen, absorbiert. Auf dem Detektor zeigt sich das Dopplerverbreiterte Profil des Abfragestrahls.

• $ f=f_{0} $ (Resonanz): Beide Strahlen werden von den relativ zur Strahlenrichtung ruhenden oder sich senkrecht zum Strahl bewegenden Teilchen, also der gleichen Geschwindigkeitsklasse, absorbiert. Aufgrund der hohen Intensität des Pumpstrahls kommt es zu einer großen Zahl angeregter Zustände, wobei das untere Niveau entvölkert wird. Der Abfragestrahl wird deshalb kaum noch absorbiert und im Absorptionsprofil zeigt sich in der ursprünglich dopplerverbreiterten Kurve ein starker Einschnitt, der sogenannte Lamb-Dip in der Form der natürlichen Linienbreite.

Bildet man im Fall der Resonanz die Differenz der Absorptionsspektren mit und ohne Sättigungsstrahl, erhält man ein Absorptionsprofil ohne Dopplerverbreiterung. Die Breite der Linien ist jetzt nur noch durch deren natürliche Linienbreite gegeben.

Literatur

• Wolfgang Demtröder: Laserspektroskopie. 5. Auflage. Springer, Kaiserslautern 2007, ISBN 978-3-540-33792-8.