基于四波混頻機制毫赫茲線寬輻射方案的研究 鄭沾 【摘要】： 量子頻標

1、基于四波混頻機制毫赫茲線寬輻射方案的研究鄭沾 【摘要】： 量子頻標(俗稱原子鐘)是精密光譜與精密測量研究中的一個重要研究方向。該方面的成果不僅對于檢驗物理學基本理論、發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象等基礎研究有深遠意義,而且對于建立新的時間計量標準、改進全球定位系統(tǒng)(GPS)與獲得更大流量網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸?shù)壬鐣こ叹袕V闊的應用前景。由于光學頻譜的高分辨率以及與之俱來的潛在穩(wěn)定度和準確度,光學原子鐘的潛力遠大于微波原子鐘。因此,全球許多著名研究機構都在開展光學原子鐘的研究。目前絕大多數(shù)光學原子鐘的探索方案都是利用能級躍遷的吸收譜來觀測鐘躍遷,它們都必須依賴于很窄線寬的激光光源。然而至今為止,激光器的最窄線寬約為

2、0.2 Hz,要用寬線寬激光去測量如Sr和Yb等原子中更窄的躍遷譜線是不切實際的。因此,亟待解決的一個問題是如何利用寬線寬激光來獲得更窄的光源。 在導師黃老師和馬老師的指導下,本論文研究了基于囚禁在光晶格里的兩電子中性原子的四波混頻機制來獲得超窄線寬光源的方案。該方案的主要優(yōu)點有：1.由于四波混頻過程構成一個封閉回路,從同一臺飛秒光梳激光器里選擇三個頻率分量線寬約為一赫茲(1Hz)或者將較強的激光場(不能從光梳中直接得到)通過飛秒激光器激光鎖定相對相位后,作為四波混頻的入射光場,由于相位匹配條件要求這些光場分量的波矢位于同一直線上,這在實驗操作上容易實現(xiàn)。2.激光對原子沒有明顯的加熱和反沖效應

3、,因而探測時間可以很長。本課題研究結果表明：a.存在交流Stark移動的情況：1.光場的交流Stark效應在一定的情況下可以增強四波混頻光的強度；2.當原子數(shù)為105個時,能得到幾十毫赫茲(10 mHz)線寬、光強為皮瓦每平方毫米(pW/mm2)量級的輻射光源。b.交流Stark效應完全消除情況：1.當光晶格中原子數(shù)為106個時,能得到幾十mHz線寬、pW/mm2量級強度的輻射；2.入射光場與非共振能級的耦合帶來頻移的影響在mHz量級以下(線寬加寬更小),從而可以忽略。該結果可建議用于光鐘實驗。 該論文的研究結果有望為實驗上實現(xiàn)超窄線寬光源以及光學原子鐘提供一種全新方案?！娟P鍵詞】：精密光譜與

4、測量學 光學原子鐘 四波混頻 超窄激光線寬 光學頻率移動 【學位授予單位】：華東師范大學【學位級別】：碩士【學位授予年份】：2010【分類號】：TH714.14【目錄】： · 中文摘要6-8 · Abstract8-14 · 第一章 緒論14-28 · 1.1 微波原子鐘研究歷史一瞥14-17 · 1.2 光鐘17-21 · 1.2.1 粒子以及能級的選取,Doppler效應的抑制17-20 · 1.2.2 光學頻率梳20-21 · 1.3 中性原子光晶格鐘21-24 · 1.4 光學原子鐘的研究意義24

5、 · 1.5 研究動機以及內容概要24-28 · 第二章 兩電子原子28-60 · 2.1 引言28-29 · 2.2 偶Z原子核29-33 · 2.2.1 組態(tài)jn的J系統(tǒng)波函數(shù)30-31 · 2.2.2 組態(tài)(Rj(n1)的J系統(tǒng)波函數(shù),R為滿殼層31-32 · 2.2.3 基態(tài)原子核的波函數(shù),配對假設,以及磁矩32-33 · 2.3 多電子原了體系33-39 · 2.4 兩電子原子的精細結構39-44 · 2.4.1 非中心場勢能修正40-42 · 2.4.2 自旋軌道相互作用4

6、2-44 · 2.5 超精細相互作用和電子與磁場的相互作用44-47 · 2.5.1 超精細相互作用44-46 · 2.5.2 靜磁場中的兩電子原子46-47 · 2.6 舉例:nsn'p構型47-52 · 2.6.1 無外加磁場的情況47-51 · 2.6.2 外加均勻靜磁場的情況51-52 · 2.7 原子對光場的響應52-60 · 2.7.1 電偶極相互作用哈密頓量52-54 · 2.7.2 外態(tài)的影響:Lamb-Dicke效應以及偶極相互作用強度修正54-60 · 第三章 量子阻

7、尼以及主方程60-75 · 3.1 引言60-62 · 3.2 阻尼的量子理論62-67 · 3.3 一個特殊的例子:熱諧振子庫67-70 · 3.4 N個兩能級原子的主方程70-74 · 3.4.1 對于任意的ij,|k·(r_i-r_j)|171-72 · 3.4.2 對于任意的ij,|k·(r_i-r_j)|172-74 · 3.5 碰撞阻尼74 · 3.6 本章小結74-75 · 第四章 一種超窄線寬輻射光源的探索75-113 · 4.1 引言75-76 ·

8、 4.2 基本方程的建立76-84 · 4.3 _4很大84-99 · 4.3.1 超窄譜線輻射光的獲得94-96 · 4.3.2 四波混頻機制的光鐘是否可能96-99 · 4.4 _2很大99-103 · 4.5 _2、_4很大,|_2-_4|相對大小不確定103-110 · 4.5.1 |_b|2|_(2,4)|2104-109 · 4.5.2 |_b|_(2,4)|109-110 · 4.6 近共振,_比較小110-112 · 4.7 本章小結112-113 · 第五章 非共振項產生頻移以

9、及線寬加寬的影響113-121 · 5.1 引言113 · 5.2 一般模型113-119 · 5.3 本章小結119-121 · 第六章 無中間能級雙光子誘導四波混頻121-125 · 6.1 引言121 · 6.2 模型的建立121-123 · 6.3 模型求解及相應的討論123-125 · 第七章 總結及展望125-127 · 7.1 本文的主要工作125-126 · 7.2 展望126-127 · 附錄A 一些常用的數(shù)學公式127-129 · 附錄B 拋物勢阱中Lamb-Dicke效應討論部份的補充129-132 · 附錄C 無限深方勢阱中的Lamb-Dicke效應的一點討論132-134 · 附錄D 第五章中一些參數(shù)的表達式134-136 ·