Прецизионная двухфотонная спектроскопия водорода и щелочных металлов

• Автор: Матвеев, Артур Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 118 с. : ил.

Содержание
Введение

1 Экспериментальная установка

1.1 Метод измерения

1.2 Водородный спектрометр

1.3 Установка для измерения сверхтонкого расщепления

уровня 2й в атоме водорода

1.4 Экранирование магнитных и электрических полей

1.5 Измерительный цикл

1.6 Основные результаты первой главы

2 Лазерные системы

Введение
2.1 Лазеры
2.2 Система активной стабилизации лазера
2.3 Шумы, связанные с нестабильностью резонатора
2.3.1 Вибрационная стабильность резонаторов
2.3.2 Температурная стабильность частоты резонаторов
2.3.3 Результаты стабилизации частоты лазерных
систем
2.4 Фазовые шумы излучения лазерной системы
2.4.1 Фазовые шумы системы стабилизации в
водородном эксперименте
2.4.2 Модель шума фазы стабилизированного
полупроводникового лазера
2.4.3 Полупроводниковый лазер с удлиненным
внешним резонатором
2.5 Основные результаты главы
3 Измерение сверхтонкого расщепления уровня 2э в
атоме водорода
3.1 Модель формы линии

3.2 Обработка экспериментальных данных
3.3 Вклад систематических эффектов
3.3.1 Погрешности модели формы линии и влияние разницы температур пучков
3.3.2 Динамический Штарковский сдвиг
3.3.3 Статический штарковский сдвиг
3.3.4 Зеемановский сдвиг
3.3.5 Столкновительиый сдвиг
3.4 Основные результаты главы
4 Влияние фазовых шумов лазерной системы на спектроскопию двухфотонных резонансов
Введение
4.1 Двухуровневая система
4.2 Двухфотонный резонанс
4.3 Резонанс КПН
4.4 Основные результаты главы
Заключение
Благодарности
Приложения
4.5 Приложение 1: Метод Паунда-Древера-Холла
4.6 Приложение 2: Фазовые шумы с ограниченной
дисперсией и их влияние на форму лазерной линии
4.7 Приложение 3: Флуктуации длины опорного
резонатора и их влияние на форму линии
4.8 Приложение 4: Изменение спектра лазерной системы
в процессе нелинейного умножения частоты
Введение
Атом водорода является одной из наиболее простых и доступных для исследования квантовых систем. Результаты экспериментов с атомом водорода внесли большой вклад в создание и развитие квантовой механики [1]. Открытие лэмбовского сдвига в атоме водорода [2] также оказало решающее влияние на развитие наиболее точной на сегодняшний день теории в атомной физике - квантовой электродинамики. Точные измерения лэмбовского сдвига в водороде [3, 4] и водородоподобных системах [6] позволили провести экспериментальную проверку методов КЭД [7, 8], подтвердив чрезвычайно высокую точность расчетов. В настоящее время расчеты КЭД широко используются при определении значений ряда фундаментальных констант, таких как постоянная Ридберга [4, 5], отношения масс электрона и протона [9] и постоянной тонкой структуры [10].
В настоящее время экспериментальная проверка расчетов КЭД с помощью атома водорода сталкивается с ограничением, возникающим из-за эффектов, учет которых в рамках одной только КЭД невозможен. В первую очередь, это влияние конечного зарядового радиуса протона Rp. Так, наличие структуры у протона приводит к поправке уровня nS, равной:
A F = — (2a)V5,0, (1)
О ТЬ
где Z = 1 - заряд ядра, а - постоянная тонкой структуры, тпг - приведенная масса электрона, Rr, - зарядовый радиус протона. Пространственное распределение заряда и магнитного момента в протоне приводит к сдвигу энергетических уровней, который масштабируется также как и лэмбовский сдвиг (~ 1/п3). В 2008 году группа CODATA опубликовала рекомендованное значение зарядового радиуса протона Rp = 0.8768(69) х 10~15 м [11]. Так, поправка для уровня 2s, вычисленная по формуле 1, составляет 3.862(108) мэВ [12]. Неопределенность в 0.108 мэВ

делает необходимым использование системы активного подавления шумов волокна [52]. Для этого излучение, проходящее через волокно, пропускается через АОМ, работающий на частоте около 40 МГц. Сигнал 40 МГц для работы АОМ вырабатывается генератором, управляемым напряжением. Часть излучения, прошедшего через АОМ, отражается назад и снова заводится в волокно. На входном конце волокна отраженная волна интерферирует на фотодиоде с пучком, отделенным от входящей волны, создавая биения на частоте около 80 МГц. Фаза сигнала биений при этом складывается из фазы, получаемой в результате двойного прохождения через волокно, а также из фазы, получаемой в результате двойного похождения через АОМ: 4>hait — Яфпогяе + Ъфлом- Осуществляя фазовую привязку сигнала биений к сигналу генератора стабильной радиочастоты через генератор, управляемый напряжением, мы получаем биения с практически постоянной фазой фьеа1 — const, откуда следует, что Фпо/яе + Фаом ~ const. В результате фаза излучения, проходящего через АОМ компенсации шумов волокна не меняется при наличии флуктуаций задержки в оптоволокне.
Для получения сигнала ошибки ПДХ излучение модулируется с помощью ЭОМ, температура которого стабилизируется с помощью петли обратной связи, управляющей нагревателями. Стабилизация температуры необходима, в связи с ее влиянием на остаточную амплитудную модуляцию лазерного излучения электрооптическим модулятором. Амплитудная модуляция излучения дает прямой вклад в нестабильность частоты лазера, поскольку вызывает смещение нуля сигнала ошибки Г1ДХ, пропорциональное мощности излучения. Флуктуации мощности излучения вызывают соответствующие изменения частоты излучения стабилизированной лазерной системы. В ходе работы также была осуществлена попытка использования модуляции тока лазерного диода. Этот метод показал намного худшую стабильность из-за того, что оптоволокно, работая как низкодобротный интерферометр Фабри-