氦原子精密光谱实验研究

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1、UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor，SdegreeExperimentalsetupforPrecisionspectroscopyofHeliumAuthor’SName：Speciality：，、‘3UDerVlSOr：。●⋯●●●Dinishecltxme：物SunPhysicalChemistryProf．ShuimingHuApril2012中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，

2、论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：判：要量签字日期：呈坐么墨么塑中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。卤公开

3、口保密作者签名：墨d：圣要签字日期：211兰厶呈Z互3正导师签名：勘蛙蝴摘要原子体系精密光谱的实验测量是获得基本物理常数和检验基本物理定律的重要手段。对于结构比较简单的4He原子，其精细能级结构的理论计算精度已经可以达至fJppb水平。在实验方面，其≯Po‘12能级精细结构间隔的测量精度也已经达到相当的水平，这使得该实验成为验证量子电动力学理论的一个重要方法。Shwartz提出了还可以利用该实验和计算结果的对比，实现对精细结构常数OZ的测定。经过了约50年的发展，目前通过这一方法测量的精细结构常数值的精度在几十个ppb，已经逼近二!PCODATA(国际科技数据委员会)推荐

4、数值的精度。而利用多种完全不同的实验方法测定精细结构常数，其本身也是对量子电动力学理论等基本物理理论的检验。我们发展了一套结合冷原子技术的测量4He原子23R．。．。能级精细结构间隔的精密光谱装置。我们的实验方案包括利用激光冷却方法增强亚稳态氦原子束流的强度，并对三态亚稳态氦原子(23S)进行偏折，使得探测系统可以选择性地检测从而避免了单态亚稳态氦原子(21So)和高能光子对探测的影响。在光谱测量方面，首先把外腔式半导体激光器的频率锁定在恒温控制的超稳光学腔上，而后利用光纤式电光调制器中产生的边带来作为探测光，以在保证频率精度的条件下实现光谱的连续扫描。目前该实验方法已在

5、所搭建的实验装置上进行了初步测试，结果表明可能达到kHz的测量精度。在本实验中发展的许多技术手段，还被运用于其他的一些精密光谱测量实验。利用恒温控制超稳腔锁定激光器技术，发展出了激光器锁频的光腔衰荡光谱方法，实现了光腔衰荡精密光谱测量。我们提出了利用光腔衰荡精密光谱方法测定波尔兹曼常数的实验方案，并通过数值模拟和分析，表明该方案有可能将波尔兹曼常数测定蛰]ppm精度，达到目前其他方法可达到的最优水平。本论文将主要介绍所搭建的一套测量4He原子23&一23R'1'2精细结构能级的精密光谱测量装置，以及利用所发展的技术实现的精密光谱测量研究。论文总共分六章，其中第一章介绍氦原

6、子精密光谱理论和实验发展，以及我们所的总体实验方案；第二章介绍激光横向冷却的氦原子束流系统的结构和原理；第三章介绍测量系统中的光学部分，包括激光锁频系统和光谱扫描探测方法等；第四章介绍有限元方法，以及利用该方法开展的本实验所需要的精密磁场设计工作；第五章将对目前初步的实验结果做出的分析；最后一章介绍利用在本实i摘要验系统搭建中所发展激光频率锁定和光谱扫描技术，实现的光腔衰荡精密光谱实验方法，以及通过利用该技术测量分子多普勒线宽，对波尔兹曼常数进行测定的实验方案。关键词：精密光谱学，氦原子，光腔衰荡光谱，激光冷却，玻尔兹曼常数nABSTRACTAbstractTheprec

7、isionspectroscopyofatomsisaprimarymethodtoobtainfundamentalphysicalconstantsandtotestelementarylawsinphysics．Becauseoftherelativelysimplestructureofthe4Heatom，theaccuracyofthefinestructureintervalscanbetheoreticallycalculatedtotheppblevel．Ontheexperimentalside，theac