Когерентная лазерная спектроскопия атомов водорода и рубидия

• Автор: Колачевский, Николай Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 232 с. : ил.

1 Двухфотонная спектроскопия перехода 15-25

1.1 Двухфотонная спектроскопия атома водорода

1.1.1 Двухфотонное возбуждение перехода 15 - 25

1.1.2 Трёхфотонная ионизация

1.1.3 Статический эффект Штарка

1.1.4 Доплеровский эффект второго порядка и эффект

отдачи

1.2 Лазерная система

1.2.1 Лазер на красителе

1.2.2 Резонатор из материала ULE

1.2.3 Стабилизация частоты лазера на красителе

1.2.4 Дрейф резонатора ULE
1.2.5 Спектральная ширина линии лазера
1.3 Водородный спектрометр
1.3.1 Регистрация спектров поглощения перехода 15-25
1.3.2 Разрешающая способность спектрометра
1.4 Основные результаты первой главы
2 EI1FS(2S) в атомах водорода и дейтерия
2.1 Сверхтонкая структура и D21
2.1.1 Поправки к энергии сверхтонкого взаимодействия
2.1.2 Величина D2t
2.1.3 Сверхтонкое расщепление и D2 в водородоподобных
атомах: эксперимент и теория
2.2 Измерение £'hfs(25) в атоме водорода
2.2.1 Зеемановский спектр двухфотонного перехода 1525 в атоме водорода
2.2.2 Наблюдение расщепления в магнитном поле
2.2.3 Вакуумная часть эксперимента
2.2.4 Измерение спектров синглетного и триплетного
ь переходов

2.2.5 Систематические эффекты
2.2.6 EHfs(25) в атоме водорода: анализ результатов
2.3 Измерение Ehps(25') в атоме дейтерия
2.3.1 Эффект Зеемана в атоме дейтерия
2.3.2 Экспериментальная часть и результаты
2.3.3 Анализ результатов
2.4 D2i в водороде и дейтерии
2.5 Основные результаты второй главы
3 Измерение абсолютной частоты перехода 15 — 25
3.1 Измерение абсолютной частоты лазера на 486 нм
3.1.1 Фильтрация данных
3.1.2 Сравнение первичных стандартов частоты
3.1.3 Определение оси частот в измерениях
3.2 Анализ результатов измерения абсолютной частоты перехода 15
3.2.1 Подгонка спектров с помощью модели формы линии
3.2.2 Экстраполяция динамического сдвига Штарка
3.2.3 Модифицированная модель формы линии и учет весовых коэффициентов
3.2.4 Сравнение методов обработки данных
# 3.2.5 Модельно-независимая обработка данных
3.3 Абсолютная частота перехода 15-25 в атоме водорода
3.3.1 Абсолютная частота перехода (15, F = 1, тр = ±1) —>
(25, F' = 1, тп'р = mF)
3.3.2 Абсолютная частота центроида перехода 15-25
3.3.3 Лэмбовский сдвиг и константа Ридберга
3.4 Ионизация метастабильного атома водорода
излучением 243 нм
3.4.1 Уширение спектральных линий перехода 15-25
3.4.2 Модель в присутствии трехфотонной ионизации
3.4.3 Моделирование возбуждения в пучке
3.4.4 Сравнение с экспериментальными значениями
3.5 Основные результаты третьей главы
4 Измерение абсолютной частоты в атоме водорода и
ограничение на дрейф постоянной тонкой структуры
4.1 Сводка основных результатов по дрейфу постоянной тонкой структуры а из геологических и астрофизических данных
4.1.1 Реактор Окло
4.1.2 Астрофизические исследования
4.2 Лабораторные эксперименты микроволнового диапазона . . 131 щ 4.2.1 Тонкая и сверхтонкая структура
4.2.2 Сводка экспериментальных результатов
4.3 Дрейф констант и оптические переходы
4.3.1 Релятивистские поправки
4.3.2 Оценка дрейфа абсолютной частоты перехода
(15, F = 1, тр = ±1) —► (25, F' — 1, m!F = тр) в атоме водорода
4.3.3 Измерения эталонных частот переходов в ионах Hg+
и Yb+
4.3.4 Разделение вкладов взаимодействий различных типов
4.4 Сопоставление результатов по поиску дрейфа а
4.5 Основные результаты четвертой главы
5 Бихроматическая спектроскопия атома рубидия
5.1 Резонансы КПН
5.2 Исследование явления КПН в парах рубидия с помощью би-хроматического источника
5.2.1 Источник лазерного поля для спектроскопии резонансов КПН
5.2.2 Исследование явления КПН в парах рубидия
5.2.3 Высокочастотные резонансы КПН
5.3 Основные результаты пятой главы
Заключение
Благодарности
Приложения
А Теория атома водорода
А.1 Дираковские уровни энергии
A.2 Лэмбовский сдвиг
А.2.1 Собственная энергия и поляризация вакуума
А.2.2 Двухпетлевые поправки
А.2.3 Поправки отдачи
А.2Л Конечные размеры ядра
А.2.5 Лэмбовский сдвиг: эксперимент и теория
В Первичные стандарты частоты
B.1 Пучковый цезиевый стандарт
B.2 Цезиевый фонтан
С Методы измерения оптических частот
C.1 Оптический делитель
С.2 Спектр последовательности коротких импульсов
2.1 Сверхтонкая структура и Е^х

выводы и определения, используемые в этих расчетах, теория Дирака и расчеты лэмбовского сдвига представлены в приложении А. В дополнение там представлен анализ данных по зарядовому радиусу протона.
Величина сверхтонкого расщепления основного состояния атомной системы может быть измерена с исключительно высокой точностью. Сверхтонкие подуровни основного состояния обладают длительным временем жизни, малочувствительны к внешним возмущениям, и легко доступны методам радиочастотной спектроскопии.
Как и в случае лэмбовского сдвига, КЭД открывает возможности для систематических вычислений поправок к выражению (2.1). Разложение ведётся по малым параметрам а, (2а) и (те/М). Аналогично вычислениям лэмбовского сдвига, последовательно вычисляются радиационные поправки, нерадиационные и радиационные поправки отдачи и пр. С некоторого уровня точности для адронных систем (ядра которых состоят из протонов и нейтронов) начинают играть заметную роль эффекты размера и структуры ядра, а для лептонных (например, мюония ц+е_ и позитрония е+е") - слабые взаимодействия. До настоящего времени наиболее перспективным объектом теоретических исследований с точки зрения расчётов энергии сверхтонкого расщепления считается атом мюония. Высокая экспериментальная точность (1.2 • 1СГ8), достигнутая в измерениях, и отсутствие структуры ядра, позволяют проводить прецизионные тесты КЭД не сталкиваясь с проблемой зарядового радиуса протона. С другой стороны, недостаточно высокая точность определения магнитного момента и массы мюона вносит заметную ошибку в лидирующий член Ер, описывающий сверхтонкое расщепление (см. 2.1). Оказывается, что основным результатом расчётов является определение магнитного момента мюона.
Альтернативой исследованию лептонных систем является комбинирование результатов, полученных для различных электронных конфигураций одной и той же адронной системы [53, 54, 55, 56]. Основной вклад адронных эффектов возникает при учёте матричных элементов, представляющих локализацию электрона в области ядра. Уравнение Дирака для связанных состояний может быть записано следующим образом:
^с<#ю(г) + (1 + к^с1^1 _ [£ . + теС2 _ У(г)]5гпДг)
, Лг, , Г( , (2.3)
Лс + (1 - к)Ъс9 Г - + [ЕП] + тес2 - У(г)]/ю(г) = О,
аг г
где к = (-1 У+1+1/2и + 1/2), а £щ(г) и /пДг) есть радиальные компоненты волновых функций х и Ч> (А.6) для определённых п,у. Вблизи ядра Еп]