El Efecto Lamb por Espectroscopia de Saturación

Cuando se intenta obtener una resolución muy alta, para examinar pequeños desdoblamientos de las líneas espectrales, como en el caso de la estructura fina del hidrógeno y en el efecto Lamb, esos detalles son oscurecidos por las fuentes de ensanchamiento de líneas. En un gas a baja presión, la principal fuente de ensanchamiento, es el ensanchamiento Doppler por el movimiento térmico de los átomos o moléculas del gas. Esto es particularmente grave en el hidrógeno, ya que tiene una baja masa y por lo tanto, una alta velocidad térmica.

Los láseres de colorante sintonizables, se utilizan con excelente ventaja en la "espectroscopia de saturación Doppler-libre", para minimizar los efectos del ensanchamiento Doppler. La luz del láser se divide en dos haces, un haz de saturación y un haz de sonda, dispuestos de modo que se cruzan en una región de una celda de gas, que contiene gas hidrógeno. Cuando se ajusta el láser a una frecuencia de transición electrónica, el haz de saturación es lo suficientemente intenso, como para agotar el nivel inferior de la transición. El haz de saturación es "entremezclado", o modulado, de modo que la saturación de la transición se enciende y se apaga. El haz de sonda es absorbido, o no, dependiendo de si el haz de saturación está encendido. El haz de sonda incide sobre un detector sensible, ajustado a la frecuencia de modulación, que luego puede detectar una señal a esa frecuencia, correspondiente a la activación y desactivación de la absorción del haz de sonda.

La enorme ventaja de esta técnica para eliminar los efectos del ensanchamiento Doppler, viene de dirigir los haces de saturación y de sonda a través del gas, en direcciones opuestas. Los átomos de hidrógeno que sólo están en resonancia con ambos haces, son aquellos que no tienen una componente de velocidad en la dirección de los haces, y por lo tanto, absorben a la frecuencia asociada con el sistema en reposo del átomo. Otros átomos en sus marcos en reposo, ven la radiación entrante desplazada hacia arriba en el haz de saturación, y hacia abajo en el haz de sonda, o viceversa, por lo que no son resonantes entre sí. El espectro que se muestra, se obtuvo mediante el ajuste del láser de colorante lentamente, a través de la gama de la frecuencia de transición, y midiendo el cambio en la intensidad del haz de sonda, a la frecuencia de modulación o "entremezclado".

Para el gas hidrógeno a 300 K, la velocidad rms es aproximadamente 2700 m/s. Esta velocidad corresponde a un desplazamiento Doppler de aproximadamente 4 GHz para una transición electrónica del hidrógeno, o una línea que se ensancha el doble. Esto oscurecería efectivamente el cambio de Lamb, ya que es solo de 1,057 GHz. Este gran ensanchamiento Doppler se evitó en el experimento de Lamb-Retherford mediante el uso de transiciones de microondas, donde el desplazamiento Doppler era pequeño. El uso de microondas de 2,395 GHz para el experimento, da un desplazamiento Doppler de solo unos 20 kHz, lo que no obstaculizó el experimento. Este experimento de espectroscopia de saturación también evitó el problema del ensanchamiento Doppler.