原子分子的精密光譜在人類探索自然的過程扮演著核心的角色,特別是自激光器誕生以來,原子分子頻率躍遷的測量的精度得到了極大的提高。每一次光譜頻率分辨率的提高都帶來人類認識的新革命,導致了一系列重大的發(fā)現(xiàn):比如精細和超精細分裂、Stark效應、Zeeman分裂和精細常數(shù)的時間變化等。在這一系列重要的科學和技術的進步中,能級結構簡單原子的高精度譜線測量在基本常數(shù)標定、奇異核結構測量和量子電動力學修正等領域有至關重要的作用。最近高精度的鋰原子激光光譜不論是在理論還是實驗領域都引起了科學界的極大的關注,鋰原子的能級結構比較簡單,其外層只有三個電子,從第一性原理出發(fā)可以得到鋰原子的諸多特性。例如,結合量子電動力學修正的Hylleraas變分算法,可以精確預估躍遷頻率、同位素位移和精細結構間隔等。實驗上通過測量鋰原子的精密躍遷光譜,可以對現(xiàn)有的理論模型進行檢驗。目前Li原子的能級在理論上已經完成了mα7階QED修正計算,但是現(xiàn)有的兩套理論體系在計算結果上有著微小的差異,并且理論計算與實驗結果也存在出入,所以實驗上還需要一套高精度的測量系統(tǒng)來修正理論計算,從而驗證QED理論的正確性以及普適性。許多實驗測... 

【文章來源】：華東師范大學上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學位級別】：博士

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理論模型下不同原子組分干涉儀在驗證弱等效原理時的比較[51]。

2017年,Holger Muller實驗小組在溫度為50倍反沖極限的7Li冷原子中通過Ramsey-Borde原子干涉的方式精密測量了7Li原子的反沖頻率[52]。通過四組π/2脈沖操控原子進行干涉,實驗上可以獲得特征頻率為8倍反沖頻率的原子布局數(shù)震蕩信號,其實驗結果如圖1.3所示。由公式ωr=2k2/(2m)可知,通過反沖頻率的精密測量可以推算出原子的質量,結合6Li原子反沖頻率的精確測量,可以在實驗上通過使用原子干涉的方法測量出中子的質量,此測量結果在千克的重新定義,精細結構常數(shù)測量方面具有重要的意義。1.3.2 鋰原子光譜測量

1948年,K.W.Meissner等人通過原子束真空電弧光譜的方法測量了7Li原子D2線光譜[32];1955年,E.W.Burke首次在鋰原子束中測得了同位素偏移[33];1967年,K.C.Borg等人用能級交叉法,測量了鋰原子22P態(tài)的精細結構和超精細結構[34];1975年,H.Orth等人通過光學雙共振的方法,測量了7Li原子2P態(tài)的超精細結構分裂等[35];1990年,L.Windholz等人在外加磁場環(huán)境下研究了鋰精細結構劈裂、同位素偏移、超精細參數(shù)A,B等[36];1995年,L.J.Radziemski等人,通過傅里葉變換光譜的方法,測量了7Li和6Li原子較大范圍內的光譜,譜線波數(shù)測量精度達到±0.0005 cm-1[37]。C.J.San-sonetti等人在原子束通過頻率調制的光譜測量方法,譜線波數(shù)測量精度達到±0.00002 cm-1[38];2002年,Z.C.Yan和G.W.F.Drake通過QED反沖修正,計算出了鋰原子的同位素偏移[39];2006年G.A.Noble等人通過EOM調制激光的方式,獲得了大范圍的譜線[40];2007年V.Natarajan課題組通過銣穩(wěn)定環(huán)腔諧振器實驗上第一次測量出來的了鋰原子的絕對頻率[41];2011年C.J.Sansonetti等人首次結合光學頻率梳精密測量出來了鋰原子的絕對頻率[42],2014年M.Puchalski和K.Pachucki結合實驗測量結果對之前的理論模型進行修正[23],完善了QED理論中mα6階和mα7階的貢獻。以6Li原子為參考,理論計算和實驗測量的結果如圖1.4所示,從圖中可以明顯看出來2P能級間距測量的不確定度隨著測量技術的不斷提高而不斷降低。之前實驗上測量鋰原子躍遷譜線多在原子束中進行,原子束方法測量鋰原子譜線的裝置如圖1.5所示,先將鋰原子加熱至400?C左右,鋰原子的最概然速率在1200 m/s附近,從一套準直系統(tǒng)中篩選出橫向速度比較集中的原子,然后在垂直于原子束的方向上進行探測。如NIST最新的測量裝置通過直徑2mm,總長135 cm的速度篩選裝置限制出射原子的縱向速度,篩選出的原子在垂直測量的方向上有約4 MHz的多普勒展寬[43],原子束的準直和原子通量大小之間是競爭關系,在高準直要求下會降低原子通量,進而降低熒光譜線信號強度。在譜線測量實驗中,信噪比是十分關鍵的因素,直接影響最終的統(tǒng)計誤差。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]氦原子23S—23P精密光譜研究[J]. 鄭昕,孫羽,陳嬌嬌,胡水明.  物理學報. 2018(16)

碩士論文
[1]超冷6Li費米原子窄Feshbaeh共振的研究[D]. 俞千里.華東師范大學 2017



本文編號：3351864