氦原子精密光譜實驗研究.pdf

1、原子體系精密光譜的實驗測量是獲得基本物理常數和檢驗基本物理定律的重要手段。對于結構比較簡單的4He原子，其精細能級結構的理論計算精度已經可以達到ppb水平。在實驗方面，其23Po，1,2能級精細結構間隔的測量精度也已經達到相當的水平，這使得該實驗成為驗證量子電動力學理論的一個重要方法。Shwartz提出了還可以利用該實驗和計算結果的對比，實現對精細結構常數α的測定。經過了約50年的發(fā)展，目前通過這一方法測量的精細結構常數值的精度在幾十個

2、ppb，已經逼近于CODATA（國際科技數據委員會）推薦數值的精度。而利用多種完全不同的實驗方法測定精細結構常數，其本身也是對量子電動力學理論等基本物理理論的檢驗。
　　 我們發(fā)展了一套結合冷原子技術的測量4He原子23po，1,2能級精細結構間隔的精密光譜裝置。我們的實驗方案包括利用激光冷卻方法增強亞穩(wěn)態(tài)氦原子束流的強度，并對三態(tài)亞穩(wěn)態(tài)氦原子(23S1)進行偏折，使得探測系統(tǒng)可以選擇性地檢測從而避免了單態(tài)亞穩(wěn)態(tài)氦原子(21S0

3、)和高能光子對探測的影響。在光譜測量方面，首先把外腔式半導體激光器的頻率鎖定在恒溫控制的超穩(wěn)光學腔上，而后利用光纖式電光調制器中產生的邊帶來作為探測光，以在保證頻率精度的條件下實現光譜的連續(xù)掃描。目前該實驗方法已在所搭建的實驗裝置上進行了初步測試，結果表明可能達到kHz的測量精度。
　　 在本實驗中發(fā)展的許多技術手段，還被運用于其他的一些精密光譜測量實驗。利用恒溫控制超穩(wěn)腔鎖定激光器技術，發(fā)展出了激光器鎖頻的光腔衰蕩光譜方法，實

4、現了光腔衰蕩精密光譜測量。我們提出了利用光腔衰蕩精密光譜方法測定波爾茲曼常數的實驗方案，并通過數值模擬和分析，表明該方案有可能將波爾茲曼常數測定到ppm精度，達到目前其他方法可達到的最優(yōu)水平。
　　 本論文將主要介紹所搭建的一套測量4He原子23S1-23p0,1,2精細結構能級的精密光譜測量裝置，以及利用所發(fā)展的技術實現的精密光譜測量研究。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驗發(fā)展，以及我們所的總體實驗方案；第