氦原子精密光譜實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、原子體系精密光譜的實(shí)驗(yàn)測(cè)量是獲得基本物理常數(shù)和檢驗(yàn)基本物理定律的重要手段。對(duì)于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的4He原子，其精細(xì)能級(jí)結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算精度已經(jīng)可以達(dá)到ppb水平。在實(shí)驗(yàn)方面，其23Po，1,2能級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)間隔的測(cè)量精度也已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)?shù)乃?，這使得該實(shí)驗(yàn)成為驗(yàn)證量子電動(dòng)力學(xué)理論的一個(gè)重要方法。Shwartz提出了還可以利用該實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α的測(cè)定。經(jīng)過了約50年的發(fā)展，目前通過這一方法測(cè)量的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)值的精度在幾十個(gè)

2、ppb，已經(jīng)逼近于CODATA（國(guó)際科技數(shù)據(jù)委員會(huì)）推薦數(shù)值的精度。而利用多種完全不同的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，其本身也是對(duì)量子電動(dòng)力學(xué)理論等基本物理理論的檢驗(yàn)。
　　 我們發(fā)展了一套結(jié)合冷原子技術(shù)的測(cè)量4He原子23po，1,2能級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)間隔的精密光譜裝置。我們的實(shí)驗(yàn)方案包括利用激光冷卻方法增強(qiáng)亞穩(wěn)態(tài)氦原子束流的強(qiáng)度，并對(duì)三態(tài)亞穩(wěn)態(tài)氦原子(23S1)進(jìn)行偏折，使得探測(cè)系統(tǒng)可以選擇性地檢測(cè)從而避免了單態(tài)亞穩(wěn)態(tài)氦原子(21S0

3、)和高能光子對(duì)探測(cè)的影響。在光譜測(cè)量方面，首先把外腔式半導(dǎo)體激光器的頻率鎖定在恒溫控制的超穩(wěn)光學(xué)腔上，而后利用光纖式電光調(diào)制器中產(chǎn)生的邊帶來作為探測(cè)光，以在保證頻率精度的條件下實(shí)現(xiàn)光譜的連續(xù)掃描。目前該實(shí)驗(yàn)方法已在所搭建的實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了初步測(cè)試，結(jié)果表明可能達(dá)到kHz的測(cè)量精度。
　　 在本實(shí)驗(yàn)中發(fā)展的許多技術(shù)手段，還被運(yùn)用于其他的一些精密光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)。利用恒溫控制超穩(wěn)腔鎖定激光器技術(shù)，發(fā)展出了激光器鎖頻的光腔衰蕩光譜方法，實(shí)

4、現(xiàn)了光腔衰蕩精密光譜測(cè)量。我們提出了利用光腔衰蕩精密光譜方法測(cè)定波爾茲曼常數(shù)的實(shí)驗(yàn)方案，并通過數(shù)值模擬和分析，表明該方案有可能將波爾茲曼常數(shù)測(cè)定到ppm精度，達(dá)到目前其他方法可達(dá)到的最優(yōu)水平。
　　 本論文將主要介紹所搭建的一套測(cè)量4He原子23S1-23p0,1,2精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)的精密光譜測(cè)量裝置，以及利用所發(fā)展的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的精密光譜測(cè)量研究。論文總共分六章，其中第一章介紹氦原子精密光譜理論和實(shí)驗(yàn)發(fā)展，以及我們所的總體實(shí)驗(yàn)方案；第