九,2005年诺贝尔物理学奖精密激光光谱及光频梳(opticalfrequencyc.docVIP

2005年诺贝尔物理奖得主--- 汉希 (T.W. H?nsch)、霍尔 (J.L. Hall)和葛劳柏（Roy J. Glauber） 美国科学家葛劳柏 美国科学家约翰-哈尔 德国科学家汉什 2005年是爱因斯坦发表狭义相对论以及光电效应和布朗运动理论的100周年，为了推动物理教学与研究，联合国特别将2005年定为世界物理年。爱因斯坦假设光速在惯性坐标中为恒定，透过此绝对的基本物理量建立了狭义相对论和质能关系，此外他提出光量子成功解释光电效应。非常恰巧的，2005年10月发布的诺贝尔物理奖得主汉希（Theodor W. H?nsch）、霍尔（John L. Hall）与葛劳柏（Roy J. Glauber）的贡献跟光速及光的量子性质有密切的关系。汉希及霍尔两人因在精密激光光谱，包括光频梳（optical frequency comb）技术的发展而获此殊荣。 霍尔是美国JILA（Joint Institute of Laboratory of Astrophysics）的资深研究员，是激光稳频高手。汉希是德国慕尼黑大学教授及普朗克量子光学研究所主任，是氢原子1S-2S光谱高手。他们两人是好朋友，都热爱实验。到JILA拜访霍尔，通常要在地下室的实验室才能找到他。汉希在慕尼黑大学物理系办公室对面有一个人实验室，他常在那里做一些有趣的实验，霍尔来访时也会邀他一起做实验。在这篇文章我们将简介汉希与霍尔的学术工作及光频梳。 激光稳频： 激光的本征线宽（intrinsic linewidth）由Schawlow-Townes relation所限制，除了半导体激光因其微小共振腔内光子数目不多线宽大外，大部分激光的本征线宽小于1 Hz。如1 mW的红光633 nm HeNe激光，其Schawlow-Townes线宽小于1 mHz。然而由于各种不同的技术性噪音（technical noise），例如激光结构的振动、折射率的扰动等，实际的激光系统离Schawlow-Townes线宽有一段不算小的距离。 激光稳频包括线宽压缩和频率稳定两部份。压缩激光线宽的方法通常使用高反射镜组成的光学共振腔，而激光频率稳定则利用由次都卜勒（sub-Doppler）光谱取得的原子或分子光谱。原理如图1。 图1 激光稳频的原理。参考频率可以是原子光谱或共振腔的光谱。 霍尔在激光稳频的贡献卓越，包括：1、甲烷（CH4）稳频3.39??m HeNe激光及碘分子稳频1064 nm Nd:YAG激光，这两种稳频激光是最稳定的参考波长；2、FM spectroscopy、NICE-OHMS和Pund-Drever-Hall等高灵敏的光谱方法。利用这些方法及技术激光线宽已达1 Hz以下，激光稳定度已高于铯原子钟。即光钟在未来有可能取代铯原子钟。 稳定性和同调性这么好的激光究竟有甚么用？这些激光广泛使用于高解析光谱研究和高灵敏干涉仪应用。除了建立一级波长（或长度）标准外，霍尔使用稳频激光做了下列工作：测量光速（导至1983年长度标准的新定义：一公尺为光于299,792,458分之1秒在真空中所走的距离），测量空间的等向性（isotropy of space），检验狭义相对论，测量光反冲作用（photon recoil为原子发射光子时因光子的动量引起的反冲），观察黑体辐射（或温度）对原子光谱的作用等。这些工作的细节在此不做说明，有兴趣的读者可从霍尔的publication list中找到（/hall/）。 氢原子1S-2S双光子光谱 N. Bloembergen（诺贝尔奖得主）和M.D. Levenson认为“氢原子1S-2S双光子光谱是物理中最重要的课题之一，是具高度挑战性的实验…”。由于2S能阶的生命期约为1/7秒，1S-2S双光子光谱的线宽仅有1.3 Hz，解析极限为10(15。氢原子及其同位素的1S-2S双光子光谱可用来检验量子电动力学（QED）、决定雷德堡常数（Rydberg constant）及电子质子质量比（electron-proton mass ratio）。 汉希自从在1975年，利用一脉冲染料激光，首先观测到氢原子1S-2S双光子的次都卜勒光谱以来，已经花了半辈子的精力观测此跃迁。必威体育精装版的成果是以一窄线宽的CW 486 nm染料激光，经倍频产生243 nm的紫外光，再利用一光学共振腔增强紫外光，去观测一氢原子束的1S-2S双光子光谱。为了压缩线宽，放电产生的氢原子先经一液氦冷却的喷嘴将温度降至5~6 K后进入光学共振腔。以一小电场将2S原子转至2P能阶，测量2P至1S的荧光，即可得1S-2S双光子吸收信号。486 nm染料激光的频率则是利用一光频梳测出，整个实验系统见图2。 目前氢原子1S-2S双光子光谱线宽约530 Hz离自