飽和吸收光譜

飽和吸收光譜是實驗原子物理學中，可以精確確定原子在其基態和光激發態之間的躍遷頻率而不受多普勒頻移影響的一種技術。理想情況下，該方法可以將這些頻率確定到自然線寬的精度，而自然線寬與激發態壽命成反比例關係。在不做處理的情況下，由於多普勒效應，大多數待分析的原子氣體樣品在室溫下的譜線均會高度展寬。一般而言，為了消除上述多普勒效應的影響，需要將體系冷卻到數mK的低溫，而使用飽和吸收光譜法測定可以免去複雜的降溫操作，同時獲得未受多普勒展寬影響的光譜。在原子物理實驗中，該法還用於將激光的頻率鎖定在原子躍遷的精確波長上。

原理

飽和吸收光譜是一種經典的，但非一般性的泵浦探測方法。一束具有較高強度的激光穿過原子蒸氣，該光稱為泵浦光。在泵浦光的反方向，另一束頻率相同的弱光束穿過原子蒸氣，該光稱為探測光。改變兩束光的頻率，並用光電二極管記錄不同頻率下探測光的吸收。

儘管兩光束的頻率相同，但由於原子的自然熱運動，與兩束光作用的原子不同。如果光束相對於原子躍遷頻率是紅失諧的，那麼泵浦光將被朝光源方向運動的原子吸收，而探測光束將被速度相同但方向相反的原子吸收。如果光束頻率藍失諧，則情況相反。

天然銣光電二極管記錄的探測光束的透射率隨激光波長變化的典型曲線

但是，如果激光頻率近似與原子躍遷頻率共振，則兩光束將與同一群原子發生作用，即速度向量幾乎垂直於激光傳播方向的原子。在原子躍遷的雙能態近似下，強的泵浦光將許多原子激發至激發態，直至基態和激發態的原子數近似相等，即對應的躍遷被飽和。此時，由於能夠吸收探測光的原子躍遷已近似達到飽和，故探測光的吸收將會減弱。因此，隨着激光掃頻，在每個原子躍遷（通常是超精細共振）的頻率處都會觀察到吸收特徵的小幅下降。泵浦光的強度越高，目標躍遷的飽和程度越大，探測光吸光度下降的幅度就越大。在理想條件下，譜圖上凹陷的寬度可以接近該躍遷的自然線寬。

在具有兩個以上能態的系統中使用上述方法的結果是存在交叉共振線。當單個多普勒線形內存在兩個躍遷，且這兩個躍遷共享同一個基態或激發態時，在兩個躍遷的中間頻率處會出現一個交叉峰。其形成的原理是：當激光頻率處於兩躍遷的中間頻率時，一些以一定速度朝向泵浦光源運動的原子的頻率較高的躍遷被飽和，而這些原子的頻率較低的躍遷則恰好能夠吸收反方向的探測光。由於這兩個躍遷共享一個基態或激發態，因此泵浦光會導致處於這一共享能態中的原子數目發生變化，使探測光的吸收降低。同理，對於以相同速度背向泵浦光源運動的原子也有同樣的使吸收降低的效應。這些交叉峰可能非常強，通常強於主要的飽和吸收峰。

實驗實現

由於泵浦光和探測光必須具有精確相同的頻率，因此最方便的解決方案是使它們來自同一激光器。使激光器發出的光束射向中性密度濾光鏡，穿過濾光鏡的光作為泵浦光，而強度較低的反射光作為探測光。為了微調激光器的頻率，可以使用帶有能夠控制腔波長的壓電換能器的二極管激光器。為了消除光電二極管的噪聲，可以採用激光多次掃頻，而將光電二極管的多次讀數取平均的方法。

在真實原子中，有時在樣品的多普勒線形內會有兩個以上的相關躍遷（例如在具有超精細相互作用的鹼金屬原子中）。此時，除了交叉共振之外，吸收特徵中還將產生其他凹陷。