Anleitung zum F-Praktikumsversuch: Hochauflösende Laserspektroskopie an atomarem Rubidium

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1 Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf Institut für Experimentalphysik AG Prof. Dr. Axel Görlitz Florian Baumer, Frank Münchow Labor Büro Anleitung zum F-Praktikumsversuch: Hochauflösende Laserspektroskopie an atomarem Rubidium Betreuer: Florian Baumer, Frank Münchow 1 Vorbemerkung Zielsetzung des Versuches ist es, grundlegende Techniken der modernen Laserspektroskopie experimentell kennen zu lernen. Unter dem Begriff Laserspektroskopie werden verschiedene Verfahren zusammengefasst, in denen Laser zur Untersuchung von atomaren oder molekularen Spektren eingesetzt werden. Laserspektroskopische Verfahren werden in verschiedenen Bereichen der Analytik verwendet. Zum Einen dient die Laserspektroskopie in der physikalischen Grundlagenforschung als Präzisionswerkzeug der Atomphysik zur Untersuchung der Eigenschaften von Atomen und deren Elektronenhülle. Beispielsweise werden laserspektroskopische Methoden zur Bestimmung der Rydbergkonstante eingesetzt - der am genauesten bestimmten Naturkonstante! Zum Anderen werden laserspektroskopische Verfahren z. B. in der Spurenanalytik eingesetzt, um Substanzen in gasförmiger Umgebung nachzuweisen. Allen Verfahren ist gemein, dass in der Laserspektroskopie der Laser als monochromatische, abstimmbare Lichtquelle zur Anregung von elektronischen Übergängen in der Atomhülle verwendet wird. Im Praktikumsversuch wird ein gitterstabilisierter Diodenlaser benutzt, um dopplerverbreiterte Absorptionspektren und dopplerfreie Sättigungsspektren von atomarem Rubidium aufzunehmen. Als einfache Anwendung der Laserspektroskopie soll die Dampfdruckkurve von Rubidium bestimmt werden. 2 Vorbereitung Mit folgende Begriffen und Themenbereichen sollten Sie sich (so weit noch nicht bekannt) vor der Versuchsdurchführung vertraut machen bzw. Ihre Kenntnisse auffrischen: 1. Aufbau der atomaren Elektronenhülle 2. Atomare Spektren 3. Natürliche Linienbreite, Dopplerverbreiterung, Sättigungsverbreiterung 4. Absorptionsspektroskopie 5. Sättigungsspektroskopie 6. Hyperfeinstruktur 7. Atomare Struktur von Rubidium 8. Verschiedene experimentell wichtige Techniken/Geräte: Polarisationsoptik, Fabry-Perot-Resonator, Gitterstabilisierter Diodenlaser, Oszilloskop Die Stichpunkte 1 und 2 sollten Ihnen aus der Vorlesung Experimentalphysik III: Atom- und Quantenphysik bekannt sein. Falls notwendig, wiederholen Sie bitte die entsprechenden Kapitel in einem Atomphysik-Lehrbuch. Zu den Stichpunkten 3 und 4 werden Ihnen Auszüge aus W. Demtröder, Laserspektroskopie, Springer-Verlag, 2. Auflage (1991) zur Verfügung gestellt (S , S , S , 1

2 S. 291). Auch zu Stichpunkt 5, der den wesentlichen Teil des Praktikumsversuchs umfasst, wird Ihnen ein Auszug aus dem gleichen Buch zur Verfügung gestellt (S ). Stichpunkt 6 sollte Ihnen ebenfalls im wesentlichen aus der Vorlesung bekannt sein. Zusätzlich wird Ihnen hier noch ein Auszug aus H. Haken und H. C. Wolf, Atom- und Quantenphysik, Springer-Verlag, 7. Auflage (2000) zur Verfügung gestellt (S ). Zu Stichpunkt 7 ist das wesentliche im Folgenden aufgeführt. Rubidium ist ein Alkalimetall, das in der Natur als Gemisch der zwei stabilen Isotope 85 Rb und 87 Rb vorkommt. Der Siedepunkt liegt bei ca. 39. Im Versuch wird eine Glaszelle verwendet, die Rubidiumdampf in der natürlichen Isotopenzusammensetzung aus etwa 72% 85 Rb und etwa 28% 87 Rb enthält. Aufgrund der Isotopieverschiebung weisen 85 Rb und 87 Rb leicht unterschiedliche Resonanzfrequenzen auf. Dabei besitzt 85 Rb einen Kernspin von I = 5/2 und 87 Rb einen Kernspin von I = 3/2. Im Praktikumsversuch wird die D 2 -Linie (5S 1/2 5P 3/2 ) von Rubidium (λ L 780nm) spektroskopisch untersucht. Da die Isotopieverschiebung größer als die Dopplerverbreiterung ist, sind die Absorptionslinien für die beiden Isotope klar getrennt. Zusätzlich weist jedes der beiden Isotope eine Hyperfeinstrukturaufspaltung des Grundzustandes auf, die größer als die Dopplerverbreiterung ist. Daher werden im Absorptionsspektrum der D 2 -Linie von Rubidium vier Linien beobachtet. Bei der Sättigungsspektroskopie kann auch die (wesentlich geringere) Hyperfeinstruktur des angeregten Zustands von Rubidium aufgelöst werden. D1-Linie 794 nm D2-Linie 780 nm Abbildung 1: Termschema der D-Linien von 87 Rb. Ein detailliertes Termschema der relevanten Übergänge in 85 Rb und 87 Rb mit Angabe der Hyperfeinstrukturaufspaltungen finden Sie in Anhang A. Zu Stichpunkt 8 finden Sie weitere Angaben in Anhang B. Stichpunkt 9 ist für den dritten Versuchsteil von Bedeutung. Das wichtigste ist in W. Demtröder, Laserspektroskopie, Springer-Verlag, 2. Auflage (1991) S zusammengefaßt. 2

3 3 Versuchsdurchführung Versuchsbeschreibung Der Versuch wird mit Hilfe eines gitterstabilisierten Diodenlasers in Littrow-Anordnung durchgeführt, der einige mw Licht bei einer Wellenlänge von 780 nm emittiert. Die Frequenz des Lasers lässt sich regeln über die Temperatur der Laserdiode, den Laserdiodenstrom und den Winkel des Reflexionsgitters (piezogesteuert). Für die quantitative Auswertung der Spektren wird ein Frequenzlineal benötigt, zu dessen Erzeugung ein Teil des Laserlichts in einen Fabry-Perot-Resonator eingekoppelt ist. Ein weiterer Teil des Laserlichts wird für ein Wellenlängenmeßgerät abgezweigt, mit dessen Hilfe die Wellenlänge des Lasers auf etwa ±0, 003 nm genau bestimmt werden kann. Um die Signalqualtität zu verbessern, kann die Rb-Dampfzelle mit Hilfe einer Heizdrahtumwicklung bis auf etwa 70 C erwärmt werden. Zur Messung der Temperatur steht ein Multimeter mit Thermofühler zur Verfügung. Der Aufbau der weiteren Versuchsanordnungen soll eigenständig erfolgen, das heißt, dass wir Ihnen nicht explizit vorgegeben, wie Sie die vorhandenen optischen und elektronischen Elemente einsetzen. Vielmehr sollen Sie aufbauend auf den Skizzen, die in dieser Anleitung zu finden sind, eigene Versuchsaufbauten entwerfen. Natürlich steht Ihnen der Versuchsbetreuer dabei mit Rat zur Seite. Versuchsvorbereitung Alle benötigten optischen und elektronischen Instrumente liegen auf dem Versuchstisch für Sie bereit. Machen Sie sich zunächst mit deren Funktionsweisen vertraut. Lassen Sie sich vom Betreuer in die Bedienung des Diodenlasers einweisen. Führen Sie während der Versuchsdurchführung ein ausführliches Protokoll, in dem alle für die Reproduktion des Versuchs relevanten Fakten sowie alle für die Auswertung nötigen Angaben aufgelistet sind. Bitte tragen Sie während der Versuchsdurchführung und insbesondere während der Justage der Laserstrahlen die Laserschutzbrillen! 3

4 Versuch 1: Absorptionsspektroskopie an Rubidium Aufgabe: Nehmen Sie Absorptionsspektren von Rubidium auf. Ziel ist die Beobachtung der Hyperfeinstrukturaufspaltung des Grundzustandes und die Messung der Dopplerverbreiterung. Abbildung 2: Schematischer Aufbau für die Absorptionsspektroskopie. Hinweise: Die relevanten Absorptionslinien liegen im Wellenlängenbereich 780,250 nm bis 780,235 nm. Suchen Sie diesen Bereich mit Hilfe der Wellenlängenabstimmbarkeit des Lasers (Diodenstrom, Gitterspannung) nach Linien ab. Wie viele Absorptionslinien erwarten Sie? Bestimmen Sie von jeder Linie die Wellenlänge und speichern Sie für die Auswertung jeweils drei Oszilloskopbilder. Messen Sie jeweils die Temperatur der Dampfzelle Achten Sie darauf, daß die Absorptionslinien nicht sättigen (Abplattung an der Spitze) - reduzieren Sie ggf. die Temperatur der Zelle Für die quantitative Auswertung muß parallel zur Absorptionslinie auf dem zweiten Oszilloskopkanal das Signal des Fabry-Perot-Resonators mit mindestens zwei zusammengehörigen peaks dargestellt sein. Versuch 2: Sättigungsspektroskopie an Rubidium Aufgabe: Nehmen Sie Sättigungsspektren für alle vier beobachteten Absorptionslinien von Rubidium auf. Ziel ist die Beobachtung der Hyperfeinstrukturaufspaltung des angeregten Zustandes (Lambdips und cross-over-resonanzen) und die dopplerfreie Vermessung der Spektrallinien. Zusätzlich soll die Breite der Spektrallinien als Funktion der Pumpstrahlintensität untersucht werden. Abbildung 3: Schematischer Aufbau für die Sättigungsspektroskopie. 4

5 Hinweise: Für ein deutliches Hervortreten der Lamb-Dips ist es wichtig, Pump- und Probstrahl möglichst gut zu überlappen - kreuzen Sie die Strahlen in möglichst flachem Winkel. Ein weiterer Justageparameter ist die Leistung des Pumpstrahls, die mit Hilfe der λ/2-platte in Kombination mit dem polarisierenden Strahlteilerwürfel eingestellt werden kann. Arbeiten Sie zunächst mit wenig Leistung im Probestrahl Betrachten Sie zur Justage zunächst die Signale der beiden Photodioden einzeln und gleichen Sie die Größe der beiden Signale mit der Gain-Einstellung von Photodiode 1 ab. Betrachten Sie anschließend die Differenz der beiden Signale. Wie viele Lamb-Dips erwarten Sie pro Absorptionslinie? Wie viele Sättigungslinien erwarten Sie insgesamt pro Absorptionslinie? Speichern Sie für die Auswertung von jedem der vier Sättigungsspektren drei Oszilloskopbilder. In diesem Versuchsteil wird zur Frequenzkalibrierung das Signal des Fabry-Perot-Resonators nicht mehr benötigt. Die Eichung erfolgt direkt über die bekannten Abstände der Hyperfeinstrukturlinien. Untersuchen Sie dann am Beispiel der 780,250 nm-linie die Breite der Sättigungslinien als Funktion der Intensität des Pumpstrahls. Speichern Sie dazu das Sättigungsspektrum dieser Linie bei verschiedenen Leistungen (etwa zehn Werte; Leistungsbereich von etwa 10µW bis über 1mW abdecken; Assistent nach Powermeter fragen). 5

6 4 Auswertung 1. Bestimmung der Frequenzabstände der beobachteten Absorptionslinien und Zuordnung der Linien zum Isotop und zum Grundzustandsniveau 2. Bestimmung der Dopplerbreite der Absorptionslinien und Vergleich mit der theoretisch erwarteten Dopplerverbreiterung 3. Dopplerfreie Darstellung der Sättigungslinien, Zuordnung der Linien zu den Hyperfeinstrukturniveaus des angeregten Zustandes 4. Eichung der Frequenzachse über den bekannten Abstand der beiden äußersten Peaks. Vergleich der Frequenzabstände der restlichen Linien im Sättigungsspektrum mit Literarurwerten 5. Bestimmung der Linienbreiten der Sättigungslinien als Funktion der Intensität des Pumpstrahls. Vergleich mit Literaturwerten. Fit an theoretisches Modell zur Sättigungsverbreiterung von Spektrallinien. Zur Bestimmung von Linienbreiten und -positionen verwenden Sie bitte das Programm Origin, welches auch auf dem Computer im Praktikumsraum vorhanden ist. Das Fitten mehrerer Gauss- oder Lorenzpeaks an einen Datensatz erfolgt dabei am einfachsten über den Menupunkt Analyse Anpassen Anpassen mehrerer Impulse. Berücksichtigen Sie bei der Darstellung und Auswertung der Versuchsteile jeweils bitte die folgenden Punkte: Beschreiben Sie die Prinzipien der Versuche. Erläutern Sie die von Ihnen gewählten Versuchsaufbauten. Stellen Sie die erzielten Ergebnisse klar dar und vergleichen sie mit den Literaturwerten. Diskutieren Sie mögliche Fehlerquellen. Die Ausarbeitung soll einen Umfang von ca. 15 Seiten aufweisen. Jeder Teilnehmer muss eine eigene Ausarbeitung abgeben (Ausnahme: Studenten im Diplomstudiengang). 6

7 A Termschemata von 85 Rb und 87 Rb 7

8 B Weitere vorrausgesetzte Themen zur Durchführung des Versuchs Polarisation: Polarisation einer elekromagnetischen Welle, Polarisationsoptik, λ/2-plättchen, λ/4- Plättchen Fabry-Perot Resonator: Funktionsweise einer Fabry-Perot-Cavity, Free-Spectral-Range, Finesse (siehe hierzu z.b. Wolfgang Demtröder, Experimentalphysik 2, Kap Vielstrahl-Interferenz) Gitterstabilisierter Diodenlaser: Abbildung 4: Schematischer Aufbau eines gitterstabilisierten Diodenlasers Wichtig dabei: die Einstellung der Wellenlänge erfolgt auf zwei Arten: Grobe Einstellung über den Diodenstrom; feine Einstellung über die Spannung, die am Piezokristall anliegt (mit Hilfe einer Dreieckspannung aus einem Funktionsgenerator lässt sich die Wellenlänge auf diese Weise über einen gewissen Bereich scannen ). Oszilloskop: Grundlegende Funktionsweise eines Oszilloskops (Eingangskanäle, Trigger etc.) 8