我们知道原子有大量內部能级，要想测量这些能级的跃迁频率，一般要依赖光谱技术，也就是利用激光和原子的相互作用来确定能级频率。在中性原子以及离子的激光冷却技术发明之前，我们是没有办法让原子“慢”下来的。那么原子运动速度有多快呢，根据Maxwell-Boltzmann分布，原子的最大概然速度为：，那么在室温25℃，Rb-85原子最大概然速度约为240 m/s。这么大的速度会有巨大的多普勒效应，对Rb-85原子来说，多普勒效应导致的吸收谱线宽约为 ，远远大于其自然线宽 。因此当我们尝试用激光直接探测原子的能级频率时，会得到一个大大超过目标能级自然线宽的谱线宽度，从而降低了测量能级频率的精度。
在1960年代，激光光谱技术先驱亚瑟肖洛（Arthur L. Schawlow，1921-1999）发明了饱和吸收谱技术，成功消除了多普勒效应对原子能级的展宽，使得激光测量原子能谱的精度大大提高。他也因这项技术获得了1981年诺贝尔物理奖。从原理上讲，这项技术非常简单，可以不借助任何数学工具即可描述清楚。首先我们看一下一个典型的饱和吸收谱装置：
一束probe光从左往右穿过充满运动气体的蒸气室进入光电二极管（PD），同时一束光强更大的pump光从右往左穿过气室并和probe光在气室中心形成交叠区域，注意probe光和pump光是同一激光器分出来的两束光。这样一来原子与光的相互作用可以分三类讨论：
假设原子内能级本征频率（也就是原子静止时的频率）为 ，激光频率为 。当 时，由于多普勒红移，与激光传播方向一致的原子会吸收光子，因此probe光（从左往右）和pump光（从右往左）被运动方向不同的原子吸收；同样当 时，由于多普勒蓝移，与激光传播方向相反的原子会吸收光子，因此probe光（从左往右）和pump光（从右往左）被运动方向不同的原子吸收。只有当 时，probe光和pump光可以被同一原子吸收。这就导致这样一个现象，由于pump光的光强一般远大于probe光，那么当 时，pump光被原子吸收导致原子跃迁到激发态。也就是大量处于基态能级的原子被激发后，导致能吸收probe光的基态原子大大减少。这就类似于pump光是probe光的大哥，它把能吸收probe光的原子都提前打跑了，因此probe光从左往右传播的过程中如入无人之境，能减少很多消耗。但是 和 两种情况则是pump和probe各打各的，最后probe光仍然会被消耗。那么PD接收到的信号在激光频率从 扫到 的过程中会出现先逐渐降低（因为激光频率越来越接近和原子的共振频率，因此被消耗更多），然而在 附近会有一个陡然升高（这是因为上面提到的pump光抽空了大量原子，导致probe光被消耗的少了），然后陡然降低，最后又逐步升高的过程，如下图所示：
图3中间的很窄的透射峰即饱和吸收谱特征峰，这个峰的半高宽为原子能级的本征线宽（自然线宽）。利用这种方法我们得到了非常窄的原子特征峰，大大提升了测量原子能级频率的精度。
饱和吸收谱在AMO实验中有重要作用，其中一个很大的用处是用于给激光器提供绝对频率参考，并可以将激光器锁定在特定的原子能级上。那么搭建一个原子饱和吸收谱光路是必要的，一个典型的饱和吸收谱光路如下所示：
华翊博奥量子科技有限公司成功将上述光路集成在了一个手掌大小的小型模块中，为用户提供了方便的绝对频率参考：
该模块内置饱和吸收谱光路，PD和温控PID等必要电路，采用光纤即插即用设计，也即插入光纤，并将PD信号接出，打开激光扫频即可输出饱和吸收谱信号：
黑线为饱和吸收谱信号（包含多普勒背景），红线为调制解调后的信号，激光频率可以轻松锁定在中间红线的斜边上从而稳定其频率。
目前华翊量子提供各种碱金属的饱和吸收光谱模块以及激光稳频方案，同时也可以定制其他气体的饱和吸收谱（如CH4，C2H2，HCN等）。如有兴趣欢迎留言或私信咨询。
