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1、激光光谱领域的诺贝尔奖激光光谱领域的诺贝尔奖得主及其贡献得主及其贡献Nobel Laureates Referred to Laser Spectroscopy and Their Contributions激光光谱研究室激光光谱研究室武寄洲武寄洲 贾锁堂贾锁堂量子光学与光量子器件国家重点实验室量子光学与光量子器件国家重点实验室量子光学与光量子器件国家重点实验室量子光学与光量子器件国家重点实验室激光光谱研究室激光光谱研究室ThetwofacesoflightWhatislightactually?Isitasurging,colourfulwavemovementorisitarushings
2、treamofparticles?Mostofuswouldlikeittobeoneortheother,butnatureismoreingenious-lightisinfactbothwavesandparticles.Max Planck: October19,1900vInterpolationformulaforthermalradiationdistributionabrilliantsuccessvModel:Ensembleof1-dimensionalchargedharmonicoscillatorsexchangingenergywithradiationfieldr
3、eached“correct”equilibriumdistributiononlyifoscillatorenergystateswerediscreteDecember14,1900:Henotedinlaterstudies-Momentum of Quantum (1909) -New Derivation of Plancks law (1916)A=SpontaneousradiationprobabilityB=InducedradiationrateAlbert Einstein:1905Foundtwosuggestionsthatlight is quantizedv-St
4、ructureofPlancksentropyforhighfrequenciesv- ThephotoelectriceffectCompton effect: 1923Completedpictureofparticle-like behavior of quanta-soonknownasphotons(1926)Wave-particle duality extended to matterWitheverymatterparticleofmassMandvelocityvisassociatedawavewithawavelengthgivenby:LouisdeBroglie192
5、4ThestateofamatterparticleisdescribedbyawavefunctionobeyingtheSchrdinger equation L. de Broglie, W. Heisenberg, E. Schrdinger:1924-26-told all about atomsButradiationtheorywasstillsemi-classical untilP.DiracdevisedQuantum Electrodynamics in1927Elementary interaction processesbetween atoms and photon
6、sSpontaneous emission of a photonRadiativelifetimeofe,ontheorderof10-8sAnatomdoesnotremainindefinitelyintheexcitedstatee.Afterafinitetime,itfallsbacktothegroundstategbyspontaneouslyemittingaphotoninallpossibledirections.Aphotonwithenergyimpingingonanatomintheexcitedstateestimulatesthisatomtoemitapho
7、tonexactlyidenticaltotheimpingingphoton(sameenergy,samedirectionofpropagation,samephase,samepolarization)Stimulated emission of a photon (Einstein 1917)i.e.CoherenceThedistinctionbetweenStimulatedemissionandSpontaneousemissionThe Nobel Prize in Physics1964Charles Hard TownesCharles Hard Townes MIT C
8、ambridge, Massachusetts,USA Nicolay Nicolay Gennadiyevich Basov Gennadiyevich Basov P.N. Lebedev Physical Institute Moscow, USSR AleksandrAleksandr Mikhailovich Mikhailovich Prokhorov Prokhorov P.N. Lebedev Physical Institute Moscow, USSR for fundamental work in the field of quantum electronics,whic
9、h has led to the construction of oscillators andamplifiers based on the maser-laser principle. Charles Hard Charles Hard TownesTownes MIT Cambridge, Massachusetts,USA ProfessorCharlesHardTownes是激光(laserlight)的发明者.1915年7月28日,汤斯生于美国南科罗拉多州的Greenville1935年,他获富尔曼大(FurmanUniversity)以最高荣誉颁授的物理学学士及现代语言文学士两个
10、学位1936及1939年获杜克大学(DukeUniversity)颁授物理学硕士及加州理工学院(CaliforniaInstituteofTechnology)颁授哲学博士学位.汤斯教授曾于1933至1947年间在贝尔实验室(BellLab)工作.翌年,他转到哥伦比亚大学(ColumbiaUniversity)当教授.1951年,汤斯正式开展有关激光的研究工作.该年,汤斯教授的研究小组着手设计一种以氨气作为放大媒质的仪器;并于1954年成功研制成第一台微波激射放大器,称为Maser(MicrowaveAmplificationbySimulatedEmissionofRadiation).19
11、58年,汤斯教授和肖洛博士(Arthur.L.Schawlow)在理论上证明Maser在可见光和红外线的范围亦可运作,并共同发表论文论述可见光和红外线激射放大器,亦即Laser(LightAmplificationbySimulatedEmissionofRadiation).汤斯教授现在于加州大学柏克莱分校从事多方面的研究,其中包括应用干涉技术来进行中红外波段的高角解像度天文学,身兼美国太空总处载人飞行科学及技术顾问会的主席及美国物理学会的副会长,同时亦是多个学术组织的会员.Nicolay Nicolay Gennadiyevich Basov Gennadiyevich Basov P.N
12、. Lebedev Physical Institute Moscow, USSR 巴索夫（Basov，NikolayGennadiyevich，1922）前苏联物理学家，因对量子电子学的研究，导致微波激射器和激光器的发展，与普罗霍罗夫和美国的汤斯共获1964年诺贝尔物理学奖金。他生于前苏联的沃罗涅日，毕业于莫斯科工程物理学院，获前苏联科学院列别捷夫物理研究所博士学位。从1950年起一直在前苏联科学院列别捷夫物理研究所工作。1954年他与普罗霍罗夫合作，制出一台氨分子束量子振荡器他提出建立不平衡量子系统的三能级方法，这种方法可放大激发辐射。这个方法立即被广泛应用于无线电光波段的量子振荡器和放大
13、器上。这些器件分别产生单色、平行、相干的微波束和光束。1958年，巴索夫又提出利用半导体制造激光器的可能性，后来在19601965年间，实现了p-n结、电子束和光泵激发各种类型的激光器。1968年，巴索夫还利用大功率激光器产生了热核反应。 AleksandrAleksandr Mikhailovich Mikhailovich Prokhorov Prokhorov P.N. Lebedev Physical Institute Moscow, USSR 普罗霍罗夫(ProkhorovAleksandrMikhaylovich,1916)澳大利亚-前苏联物理学家，因对量子电子学的基本研究导致微
14、波激射器和激光器的发展，获1964年诺贝尔物理学奖金。他生于澳大利亚阿特顿，毕业于列宁格勒大学，获莫斯科列别捷夫物理研究所博士学位，并任该所高级研究员。1953年和巴索夫共同提出放大并发射同相位、同波长的平行电磁波的微波激射器原理，并制成小巧的红宝石激光器，它发出的一束明亮的红色光，其纯净、单色性、相干性和高强度都十分理想。Thermodynamic equilibriumIn an ensemble of atoms in equilibrium, a lower lever E1is always more populated than an upper level E2.Amplific
15、ation of lightPopulation inversionNon equilibrium situation where an upper level E2 is more populated than a lower level E1.If a light beam with frequency passes through a medium where populations are inverted, the new photons which appear by induced emission are in a greater number than the photons
16、 which disappear by absorption. After passing through an aperture and a magnetic field, many of the atoms in the beam are left in the upper energy level of the lasing transition. From this state, the atoms can decay to the lower state and emit some microwave radiation.First, a beam of atomic hydroge
17、n is produced. This is done by submitting the gas at low pressure to an RF dischargestate selection” in order to get some stimulated emission, it is necessary to create a population inversion of the atoms. This is done in a way that is very similar to the famous Stern-Gerlach experiment.A high quali
18、ty factor microwave cavity confines the microwaves and reinjects them repeatedly into the atom beam. The stimulated emission amplifies the microwaves on each pass through the beam. This combination of amplification and feedback is what defines all oscillators.Some common types of masersvAtomicbeamma
19、sersAmmoniamaserHydrogenmaservGasmasersRubidiummaserCesiummaservSolidStatemasersRubymaserMasersserveashighprecisionfrequencyreferences.Theseatomicfrequencystandardsareoneformofatomicclock.Theyarealsousedaselectronicamplifiersinradiotelescopes.AmplifyingatomicmediumputbetweentwomirrorsNew light sourc
20、es : lasersLightcanmakeseveralroundtripsbetweenthe2mirrorsandbeamplifiedseveraltimes.“Laser”sourcewithcompletelynewcharacteristicsascomparedtousualthermallightsources(intensity,directivity,coherence,monochromaticity)If the cavity is “tuned”, and if the gain is larger than the losses, one gets an “os
21、cillator” for light. Nicolaas Nicolaas Bloembergen Bloembergen Harvard University Cambridge, MA, USA Arthur LeonardArthur Leonard Schawlow Schawlow Stanford University Stanford, CA, USA Kai M. SiegbahnKai M. Siegbahn Uppsala University Uppsala, Sweden The Nobel Prize in Physics 1981for their contrib
22、ution to the development of laser spectroscopyfor his contribution to the development of high-resolution electron spectroscopy 布洛姆伯根是非线性光学理论的奠基人。他和他的同事在以下三个布洛姆伯根是非线性光学理论的奠基人。他和他的同事在以下三个方面为非线性光学奠定了理论基础：方面为非线性光学奠定了理论基础：一、物质对光波场的非线性响应及一、物质对光波场的非线性响应及其描述方法；其描述方法；二、光波之间以及光波与物质激发之间相互作用的理论；二、光波之间以及光波与物质激发之
23、间相互作用的理论；三、光通过界面时的非线性反射和折射的理论。三、光通过界面时的非线性反射和折射的理论。 他把各种非线性光学效应应用于原子、分子和固体光谱学的研究，他把各种非线性光学效应应用于原子、分子和固体光谱学的研究，逐渐形成了激光光谱学的一个新研究领域，即非线性光学的光谱学。在逐渐形成了激光光谱学的一个新研究领域，即非线性光学的光谱学。在非线性光学的研究中，他建立了许多非线性光学的光谱学方法。其中，非线性光学的研究中，他建立了许多非线性光学的光谱学方法。其中，最重要的是最重要的是“四波混频四波混频”法，利用三束相干光的相互作用在另一方向上法，利用三束相干光的相互作用在另一方向上产生第四束光
24、，从而得到无法从其它渠道得到的红外和紫外波段的激光。产生第四束光，从而得到无法从其它渠道得到的红外和紫外波段的激光。利用这一方法，可以高精度地确定原子、分子和固体的能级结构。利用这一方法，可以高精度地确定原子、分子和固体的能级结构。 此外，他提出了一个能够描述液体、半导体和金属等物质的许多非此外，他提出了一个能够描述液体、半导体和金属等物质的许多非线性光学现象的一般理论框架。布洛姆伯根对非线性光学的发展以及对线性光学现象的一般理论框架。布洛姆伯根对非线性光学的发展以及对一系列非线性效应的发现，大大地扩展了激光波长的范围，使适用于光一系列非线性效应的发现，大大地扩展了激光波长的范围，使适用于光谱
25、学研究的激光波段从紫外区、可见光区一直覆盖到近、远红外区。谱学研究的激光波段从紫外区、可见光区一直覆盖到近、远红外区。 Nicolaas Nicolaas Bloembergen Bloembergen Harvard University Cambridge, MA, USA 布洛姆伯根布洛姆伯根1920年年3月月11日出日出生于荷兰。曾经在生于荷兰。曾经在Dutch大学大学学习，后来在莱顿大学获得博学习，后来在莱顿大学获得博士学位。士学位。1946年到美国，成为年到美国，成为美国公民，美国公民，1949年任哈佛大学年任哈佛大学高级研究员，后任正式教授。高级研究员，后任正式教授。肖洛是研究微
26、波激射器和激光器的先驱之一。20世纪50年代中期，肖洛与汤斯共同研究微波激射问题。当汤斯提出受激辐射放大原理时，当汤斯提出受激辐射放大原理时，肖洛第一个提出运用没有侧壁的开肖洛第一个提出运用没有侧壁的开放式法布里放式法布里-珀罗腔作振荡器的设想。珀罗腔作振荡器的设想。1960年，他和汤斯研制出第一台激光器。从此，激光成为探测原子和分子特性的有效工具。20世纪70年代以后，他和他所领导的科研小组又致力于激光激光光谱学光谱学的研究，利用非线性光学现象，首先创造出饱和吸收光谱饱和吸收光谱、双光子光谱双光子光谱等方法等方法，为发展高分辨率激光光谱方法做出了卓越的贡献。1978年，肖洛还用他自己发明的偏
27、振光谱法研究氢原子光谱，精确测得物理学基本常数里德堡常数为109737.3140.00032厘米-1。当激光频率接近被测谱线时，由于泵浦光的饱和作用，吸收系数将发生变化。调谐入射光束频率扫过被测跃迁频率时，光电检测器便测量出穿过样品池后调制的探测光强的变化，这样饱和吸收光谱就把那些对光束无多普勒频移的原子挑选出来，其光谱是无多普勒增宽的。经锁相放大器处理，输出无多普勒加宽的信号。饱和吸收光谱饱和吸收光谱当泵浦光束和原子作用时，由于光束非常强，使原子的吸收能力饱和，即把能够吸收光子的原子激发到激发态，从而不能更多地吸收其它光子，即引起了原子布居数变化，因此探测光束在被样品吸收时也感受了调制的作用
28、。从20年代开始，科学家们就试图运用爱因斯坦的光电子理论，通过对光电子的研究来获取物质内部的信息。然而，由于仪器分辨率一直不高，多年来没有重大进展。20世纪50年代中期，西格班和他的同事们将研究射线能谱的双聚焦能谱仪用于分析X射线光电子的能量分布，发明了具有高分辨率的光电子能谱仪。他们研究了电子、光子和其他粒子轰击原子后发射出来的电子，并系统地测量了各种化学元素的电子结合能。后来，他们又发展了用于化学分析的电子能谱学，开创了一种新的分析方法，即所谓的X射线光电子能谱学或化学分析电子能谱学。X射线光电子能谱学是化学上研究电子结构、高分子结构和链结构的有力工具。西格班开创的光电子能谱学为探测物质结
29、构提供了非常精确的方法。Kai M. SiegbahnKai M. Siegbahn Uppsala University Uppsala, Sweden The Nobel Prize in Physics 1989 Norman F. Norman F. Ramsey Ramsey Harvard University Cambridge, MA, USA Hans G. Hans G. DehmeltDehmelt University of Washington Seattle, WA, USA Wolfgang Paul Wolfgang Paul University of Bon
30、n Bonn, Federal Republic of Germany for the invention of the separated oscillatory fields method and its use in the hydrogen maser and other atomic clocks for the development of the ion trap technique 作为这一方法作为这一方法的创始人和推动上的创始人和推动上述研究的带头人，述研究的带头人，德默尔特的贡献值德默尔特的贡献值得倍加推崇。得倍加推崇。德默尔特1922年9月9日出生于德国的哥利兹(Gorl
31、itz).1940年中学毕业后,应召入伍.1943年-1944年出于军事需要,被送往布雷斯劳(Breslau)工业大学学习物理,后来又回到部队参加迫击炮团.1945年初被美军俘虏.次年释放后进(UniversittGttingen)学习.1948年及1950年分别获学士学位和博士学位.1950年-1952年做博士后.1955年到美国,1956年成为西雅图华盛顿大学的助理教授,1961年升正教授,1978年当选为美国科学院士.德默尔特早在1949年就因受到核磁共振发现的激励,发现了核四极共振.1958年开始研究用电磁场形成的陷阱把电子或其它带电粒子存储在隔绝状态的实验方法.1984年,德梅尔特小
32、组利用他设计的离子陷阱实验装置测量电子g因子精确到了十三位数字.用陷阱的方法研究微观粒子的特性具有重大的科学价值.过去做的许多实验,都无法排除电子之间和电子与外界之间的相互作用,因此人们对电子的知识都是统计性的.离子陷阱实验方法离子陷阱实验方法第一次突破这一局限,把电子和其它粒子单个存储在特定的区域里，长期与外界隔绝，这就为人们进一步探索微观粒子的基本性质提供了崭新的手段，也为探索微观粒子的特性开辟了一条新途径.Paul1913年8月10日出生于德国萨克森州(Lorenzkirch).父亲曾是慕尼黑大学药物化学教授,所以他小时候在慕尼黑受过良好教育.他接受他父亲好友索末菲的建议,先当了精密机械
33、工艺的学徒.1932年秋,进入慕尼黑工业大学,两年后转到柏林工业大学学习.1937年保罗转到基尔(Kiel)大学读博士学位.论文题目选的是从超精细光谱测定钡的核矩.1951年Paul设计了由六个磁极构成的聚焦磁场,可以使中性分子聚集,对分子束研究极为有用.后来他又设计了一种射频四极电场,能够把带电粒子囚禁在电场中,这一电场就相当于一个捕捉粒子的陷阱.这项工作成为以后带电粒子存储技术的先驱. Norman F. Norman F. Ramsey Ramsey Harvard University Cambridge, MA, USA 1915年年8月月27日出生于美国日出生于美国华盛顿特区华盛顿
34、特区.1935年哥伦比亚大年哥伦比亚大学毕业学毕业.随后到英国剑桥大学卡随后到英国剑桥大学卡文迪许实验室学习文迪许实验室学习,后回到哥伦后回到哥伦比亚大学跟随拉比做博士论文比亚大学跟随拉比做博士论文.1942年哥伦比亚大学任教年哥伦比亚大学任教,1947年以后一直在哈佛大学任教年以后一直在哈佛大学任教.在导师拉比（在导师拉比（I.I.Rabi）的指导下）的指导下,拉姆齐拉姆齐1940年第一个对分子的旋年第一个对分子的旋转磁矩进行了精确测量转磁矩进行了精确测量,并首次观测到这类磁矩随核的质量变化的关并首次观测到这类磁矩随核的质量变化的关系系.第二次世界大战期间第二次世界大战期间,拉姆齐领导了拉姆
35、齐领导了3cm波长雷达的试制小组波长雷达的试制小组,并并于于1943年参加过曼哈顿计划年参加过曼哈顿计划.战后回到哥伦比亚大学战后回到哥伦比亚大学,在拉比的领导在拉比的领导下恢复分子束实验室下恢复分子束实验室,积极筹备布鲁克海文国家实验室积极筹备布鲁克海文国家实验室,1946年拉姆年拉姆齐成为该实验室的物理部第一届主任齐成为该实验室的物理部第一届主任. 在在1950年提出分离振荡场方法年提出分离振荡场方法,解决了原子钟设计里的关键问题解决了原子钟设计里的关键问题,创制创制了了铯原子钟铯原子钟.分离振荡场方法不但为铯原子钟的建立奠定了基础分离振荡场方法不但为铯原子钟的建立奠定了基础,还使他们有还
36、使他们有可能测量许多不同分子的分子特性和磁特性，其中包括核自旋可能测量许多不同分子的分子特性和磁特性，其中包括核自旋,核磁矩和电核磁矩和电四极矩四极矩,分子旋转磁矩分子旋转磁矩,自旋自旋-旋转相互作用旋转相互作用,分子中电子的分布等等分子中电子的分布等等.1960年年又提出并建造了原子氢微波激射器又提出并建造了原子氢微波激射器.也就是氢原子钟也就是氢原子钟,使计时的不确定度下使计时的不确定度下降到降到110-12. http:/www.apscenttalks.org/pres_masterpage.cfm?nameID=173VariousClocksSundial,1stor2ndcent
37、uryA.D.Waterclock&Sandglass.Mechanicalclock,1657.Watch2002QuartzClockAtomichydrogenmaserclock,early1960s.AtomicmicroclockGrandfatherClockApassionforprecisionv1350第一座机械钟出现于德国v1656荷兰天文学家、数学家惠更斯提出了单摆原理并制做了第一座自摆钟v1762最好的机械表3天才差1秒v1928沃伦.马里森(BellLab)利用石英晶体在电路中能够产生频率稳定震动的特性,制造出了第一座石英钟1/10000s日误差v1949NIST使
38、用氨分子作为磁振源制成了世界上首台原子钟几千几万年相差1秒v1952NIST制成了第一台铯原子钟,它被命名为NBS-1.v1975NBS-630万年的时间中,不会快1秒,也不会慢1秒v1999NISTF-1价值65万美元2000万年内不多不少一秒v2001NIST最新制造的光学原子钟采用汞离子(即失去一个电子的汞原子).它的振荡频率比当今最准确的原子钟、每秒钟振荡90亿周的NIST-F1的高10万倍,准确1000倍v2004英国卫报报道英国卫报报道,英国国家物理实验英国国家物理实验室的科学家发明出世界上最精确光钟室的科学家发明出世界上最精确光钟. 采用采用的是单锶离子的是单锶离子,其精度是美国
39、汞光钟的三倍其精度是美国汞光钟的三倍,达达10亿年每秒亿年每秒Convention clocks depend on mechanical oscillators: not steady-frequency driftAtomic radiation oscillates steadily:basis for high-prcision atomic clocksThenarrowertheatomicresonance,thebettertheaccuracyoftheclockThewidthoftheatomicresonanceisinverselyproportionaltotheo
40、bservationtimeTUltracoldatomsmoveslowlyandprovidelongobservationtimesQuartzoscillatorwhosefrequencyismaintainedatthecenter0ofanatomicresonance原子钟利用能量状态经过选择的原子,在微波谐振腔中进行量子跃迁,从而获得相应能级间跃迁所发射或吸收的电磁波的固有频率,根据这种原理制成的钟.其任务,只是提供秒这个时间单位的精确计量.GPS:apply atomic clockfor signal synchronization 从从GPS卫星定位系统卫星定位系统,到
41、无线通讯和光纤数据传输技术到无线通讯和光纤数据传输技术,它们它们的背后的背后,都响着原子钟的都响着原子钟的“嘀哒嘀哒”声声.或许或许“最精确最精确”是个一出是个一出现就现就立刻成为过去时的概念立刻成为过去时的概念,或许它是一个永远都无法企及的将来或许它是一个永远都无法企及的将来时时,但无论如何但无论如何,在从精确到更精确的现在时中在从精确到更精确的现在时中,人类在进步人类在进步.Steven ChuSteven ChuStanford University Stanford, CA, USA Claude Cohen-Claude Cohen-TannoudjiTannoudjiCollge
42、de France;cole Normale SuprieureParis, FranceWilliam D. PhillipsWilliam D. Phillips National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD, USA The Nobel Prize in Physics 1997for development of methods to cool and trap atoms with laser lightWhy cold atoms?物理学是研究物质的基本结构与其运动规律及其相物理学是研究物质的基本结构
43、与其运动规律及其相互作用的自然科学互作用的自然科学.要开展研究要开展研究,就要把研究对象拿就要把研究对象拿在在 手手,进行仔细地观察和测量进行仔细地观察和测量ideals 在微观尺度上操纵原子分子使原子、分子的运动在微观尺度上操纵原子分子使原子、分子的运动速度降至极小速度降至极小,使它们保持相对独立使它们保持相对独立,很少相互作很少相互作用用,长久以来是物理学家的一个梦想长久以来是物理学家的一个梦想. 根据分子运动理论根据分子运动理论,在常温在常温下下,所有原子分子都在高速运所有原子分子都在高速运动着动着.以空气中的氢分子为例以空气中的氢分子为例,室温下均以室温下均以1100m/s的速率运的速
44、率运动动,即使降温到即使降温到3K,它们仍在以它们仍在以110 m/s的速率运动的速率运动,这样高速这样高速的粒子如过眼烟云的粒子如过眼烟云,很难观察很难观察,对其测量也必然带来严重误差对其测量也必然带来严重误差. 在降温时在降温时,一般情况一般情况下原子气会凝结成液下原子气会凝结成液体和固体体和固体,这时原子这时原子间间有强烈的相互作用有强烈的相互作用,其其结构和基本性能都结构和基本性能都将发生显著变化将发生显著变化. 激光冷却与捕陷原激光冷却与捕陷原子技术的发明使这一难子技术的发明使这一难题基本解决题基本解决troublessolutionR:Radiativelifetimeofe,on
45、theorderof10-8s Ontheaverage,thelossofmomentuminthespontaneousemissionprocessisequaltozero.RecoilofanatomabsorbingaphotongeSpontaneousemissionofaphotonMeanvelocitychangevinafluorescencecycletakesodiumasanexampleMeannumberofcyclespersecond:WMeanaccelerationoftheatom=velocitychangepersecond=velocitych
46、angeperfluorescencecyclexnumberofcyclespersecondW=Huge radiation pressure force!-toreducethevelocityspreadaroundthemeanvalue,i.e.toreducethedisorderedmotionoftheatomsCoolingatomsTheforcesexertedbylaserbeamsonatomsallowone-toreducetheirmeanvelocitySlowingdownatomsless energy absorbed than reemitted d
47、ecelerating force (cooling)two counterpropagating beams(same frequency; L 0) 0 LFor L 0, Doppler effect tunes atoms to resonance with counterpropagating beams Lczsto 0force LT.W.HanschandA.L.Schawlow,Cooling of gases by laser radiation, Opt. Commun. 13,68-69 (1975).LaserDopplerCoolingkk-| |/k /kvz0f
48、orcesmall velocities:F-v viscosityviscosity” ” OPTOPTI ICACAL L MMOOLALAS SS SESES zero zero force for force for v=0v=0 coolingNet force:Net force:B(x)F(x)-x position-dependent force: atomic trapatomic trapm=+1m=1m=0L x=0x - +How to trap cold atoms ?How to trap cold atoms ?IITrapping and cooling!LIM
49、IT 多普勒冷却理论是建立在二能级原子模型基础上的，但实际大多普勒冷却理论是建立在二能级原子模型基础上的，但实际大部分原子都存在多个超精细能级以及部分原子都存在多个超精细能级以及zeeman能级其中的为能级其中的为过程远比二能级系复杂。过程远比二能级系复杂。主要考虑了光场的偏振、原子Zeeman能级间的光泵浦效应以及由交流Stark效应引起的光频移等因素亚多普勒冷却机制偏振梯度冷却磁感应冷却Raman跃迁冷却跃迁冷却速度选择相干布局俘获冷却单原子的俘获及操控量子态操控 精确的能级结构冷原子重要的科学意义与应用前景冷原子重要的科学意义与应用前景 冷原子最低温度可达到几个冷原子最低温度可达到几个n
50、k,平均速度可达到几个平均速度可达到几个cm/s德布罗意波长约为德布罗意波长约为10-7m量级量级,相干长度很长相干长度很长,能够宏观观测到能够宏观观测到相相干现象干现象.碱金属原子被大量冷却到最低能态上从而产生碱金属原子被大量冷却到最低能态上从而产生BEC时时,这这些最低能态原子会产生些最低能态原子会产生物质波干涉物质波干涉. 可观测相干的物质波波长 原子间的碰撞是原子能级的宽度增宽的主要因素原子间的碰撞是原子能级的宽度增宽的主要因素.冷原子冷原子能能级宽度远小于热原子级宽度远小于热原子,具有更精确的原子能级结构和更窄的跃具有更精确的原子能级结构和更窄的跃迁光谱迁光谱,这对原子能级以及各种常
51、数的精确测量具有重要意义这对原子能级以及各种常数的精确测量具有重要意义. 冷原子由于运动速度很慢冷原子由于运动速度很慢,能级结构稳定能级结构稳定,因此相比热原因此相比热原子子具有更为明确的量子态具有更为明确的量子态.更利于对它的量子态如外层电子自旋更利于对它的量子态如外层电子自旋,原子磁矩等等进行控制原子磁矩等等进行控制.同时冷原子量子态的变化可以同时冷原子量子态的变化可以反过来反过来控制光信号控制光信号,完成信息处理过程完成信息处理过程. 利用激光俘获需要的原子利用激光俘获需要的原子,再用激光将其输送到需要的地再用激光将其输送到需要的地方方,组合成新的分子或凝聚态物质组合成新的分子或凝聚态物
52、质.甚至可以利用甚至可以利用激光俘获大生激光俘获大生物分子物分子如如DNA等等,取代上面某些原子取代上面某些原子,从而改善动物或从而改善动物或 人类的人类的基基因因,这将引起分子生物学上的一次重大革命这将引起分子生物学上的一次重大革命.Atomic interferometry, Gyroscopes, AtomicGradiometers (Manipulating matter waves) High-precision Measurements Calibration and Standard Metrology Navigation, Precise-guidance, Terrain
53、 Estimation Atom lithography and optical tweezers Bose-Einstein Condensation, Atomic clocks Atom lasers and Atomic Optics Optical LatticeApplications of Cold Atoms1962Askaliyan提出除光压外，还有梯度力概念1968Letokhov提出用梯度力陷俘原子-光阱1970Ashkin光对中性原子和微粒的作用力1975Hansch，Schalow中性原子的激光冷却建议1976Wineland,Dehmelt离子的激光冷却建议1977
54、1978Wineland,Dehmelt阱中离子激光冷却实验1979Balykin激光减速原子束实验1985S.Chu第一个OpticalMolasses实验1986Dalibard(提出了一种激光冷却和囚禁原子的新方案：磁光阱(MOT)1987Pritchard+S.chu实现第一个MOT,1988Phillips第一个打破多普勒极限1989Cohen-Tannoudji亚多普勒冷却理论解释,VSCPT1990Wieman在汽室中实现MOTMilestons:The Nobel Prize in Physics 2001for the achievement of Bose-Einstein
55、 condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates”Eric CornellJILA, NIST, JILA, NIST, Boulder, Boulder, Colorado, Colorado, USAUSAWolfgang Ketterle MIT MIT CambridgeCambridge MassachuseMassachusetts, tts, USAUSACarl WiemanJILA, Univ
56、. of JILA, Univ. of Colorado,Colorado,Boulder,Boulder,ColoradoColorado, , USAUSABorn1961inPaloAlto,California.MasterofScience,StanfordUniversity,1985.PhDinphysicsatMIT1990.PhysicistatNIST,Boulder,since1992.ProfessoradjointatPhysicsDepartment,UniversityofColorado,Boulder,since1995.Eric CornellJILA, N
57、IST, JILA, NIST, Boulder, Boulder, Colorado, Colorado, USAUSA Born1957inHeidelberg,Germany. Diplomphysiker, Technische Universitt, Mnchen, 1982.PhDinphysicsatLudwig-MaximiliansUniversitt,Mnchen,andMax-Planck-InstitutfrQuantenoptik,Garching,1986.MITsince1990,Professorsince1997.Wolfgang Ketterle MIT M
58、IT CambridgeCambridge MassachuseMassachusetts, tts, USAUSABorn1951inCorvallis,Oregon.PhDatStanfordUniversity,1977.Professorofphysics,UniversityofColorado,Boulder,since1987.Carl WiemanJILA, Univ. of JILA, Univ. of Colorado,Colorado,Boulder,Boulder,ColoradoColorado, , USAUSAThe GodfatherRamsey (1989)P
59、hillips (1997)PritchardChu(1997)The SonsThe GrandsonsWieman(87Rb)Hulet(7Li)Ketterle (23Na)Cornell (87Rb)Kleppner (1H)Brief History of Bose-Einstein condensationvFermions and BosonsThespinquantumnumberofaparticlecanbeanintegerorahalf-integer.Singleprotons,neutronsandelectronshaveaspinof.Theyarecalled
60、fermions.Theycannotappearinthesamequantumstate.Someatomscontainanevennumberoffermions.Theyhaveatotalspinofwholenumber.Photonshaveanintegerofspinnumber.Theyarecalledbosons.Bosons show strong “social” behavior.Wavescontainingbosons:vlight(photons)vsoundwaves(phonons)vmatterwaves(integer-spinatoms)vBEC
61、s,atomlasers1924:Bose将光子作为数量不守恒的粒子成功地导出了Planck黑体辐射定律;Einstein将其推广到全同粒子理想气体。1925年:Einstein在玻色理论工作的基础上大胆预言了一种新的低温物质形态：气态玻色系统在某一临界温度以下将有宏观数量的粒子共同占据量子力学的基态-BEC。1938:LandauLandau提出液氦（4He）超流本质上是量子统计现象，是BEC的反映,并计算出临界温度为3.2K.BEC开始受到重视。Do you know what else, Bose?Bosons condensate“Quantum Mechanics is differ
62、ent for Bosons and fermions”dvHighTemperatureT:Thermalvelocityv d 0.05nm)The recording shows that the atoms of the two condensates were fully coordinated. Repeated release from the trap of parts of a BEC of sodium atoms. Pulses of coherent matter fall in the gravitational field the phenomenon can be
63、 seen as an atom laser effect of coherent matter. The real size of the picture is 2.5 mm X 5 mm.Thiscanbeconsideredasaprimitivelaserbeamusingmatterinsteadoflight.An ordinary laser yields coherent radiation, an atom laser a stream of coherent matter.AnensembleofBose-condensedatoms,continuously,cohere
64、ntly,directionallypropagatingortransferringinspaceAtom laser Photon: no mass, long wavelength, broad bandwidth,no interparticle interaction,no gravity effect, easy control Atom: massive, short wavelength,narrow bandwidth (cold atoms) interparticle interaction, gravity effect, but not easy controlQua
65、ntum VerticesConstellationverticesocean verticestornadosVertex lattices in BECNatural VerticesClassicalfluidsQuantum fluidsOptical LatticesOpticallatticepotentialsformedbysuperimposingtwoorthreeorthogonalstandingwaves.Fora2Dopticallattice,theatomsareconfinedtoanarrayoftightlyconfining1Dpotentialtube
66、s.Aone-dimensionalopticallatticecreatedfromtwocounter-propagatingidenticallaserbeamswhosecrosssectionsoverlapcompletelyImportance of gaseous Bose Einstein condensatesvMatterwaveshaveveryoriginalproperties(superfluidity,coherence,)whichmakethemverysimilartoothersystemsonlyfoundincondensedmatter(super
67、fluidHe,superconductors)vThenewfeatureisthatthesepropertiesappearhereonverydilutesystems,about100000timesmoredilutethanair.Atom-atominteractionshavethenamuchsmallereffectwhichcanbecalculatedmorepreciselyvFurthermore,theseinteractionscanbemodifiedatwill,inmagnitudeandinsign(attractionorrepulsion).Exa
68、mples of applicationsvatom optics (studying the optical properties of atoms)vatom lithography (fabricating extremely small circuits)vother measurements of fundamental standardsvhologram vFundamental understanding of quantum mechanics.vModel of supernova explosion(超新星爆炸)vAtomic clocks with ultracold
69、atoms reaching a relative frequency stability and an accuracy of a few 10-16vQuantum information using a Bose Einstein condensate trapped in an optical latticev communications and computationRoy J. Glauber Harvard Univ. Harvard Univ. Cambridge, Cambridge, MA, USAMA, USA John L. Hall UniversityofUniv
70、ersityofColorado,JILA;Colorado,JILA;NationalInstituteofNationalInstituteofStandardsandStandardsandTechnologyTechnologyBoulder,CO,USABoulder,CO,USATheodor W. Hnsch Max-Planck- Max-Planck-InstitutInstitut frfr QuantenoptikQuantenoptik GarchingGarching, Germany; , Germany; Ludwig-Ludwig-Maximilians-Max
71、imilians-UniversittUniversitt Munich, Germany Munich, Germany The Nobel Prize in Physics 2005for his contribution to the quantumtheory of optical coherence for their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique vRoy J. Glauber
72、Born1925inNewYork,NY,PhDinphysicsin1949fromHarvardUniversity,Cambridge,MA,USA.MallinckrodtProfessorofPhysicsatHarvardUniversity.John L. Hall,born1934inDenver,CO,PhDinphysicsin1961fromCarnegieInstituteofTechnology,Pittsburgh,PA.SeniorScientistatNISTandFellow,JILA,UniversityofColorado,Boulder,CO.Theod
73、or W. Hnschborn1941inHeidelberg,GerPhDinphysicsin1969fromUniversityofHeidelberg.Director,MPQ,GarchingandProfessorofPhysicsattheLudwig-Maximilians-Universitt,Munich,Germany.Antiquity-Pythagoras(-600):毕达哥拉斯毕达哥拉斯Lightissomethingemittedbytheeye-Democrites(-400):德谟克利特德谟克利特Lightisaprintintheairduetotheeye
74、andtheobject-Euclides(-300):欧几里德欧几里德raysoflight,emittedbytheeye,arestraightlines.giveslawsofreflectiononamirror古老的故事-MohistschoolinChina(-400)墨子墨子rectilinearpropagation,lawsofreflectionMiddleAgeandRenaissance-Ibn-al-Haitam(Cairo1000):LightissomethingemittedbytheobjecttotheeyeReflectionoflightislikea
75、ballattheendofanarrow-Kepler(Prague1600)德Approximate law of refractionAfter discovery of Galilee telescope:Laws of lenses and image formation粒子性的东西粒子性的东西-Snell(1625),(荷兰)Descartes(1637),Fermat(1664)(法)accuratelawforrefractiongeometricalopticswellestablished17 CenturyGrimaldi(1665)意大利首先观察到光的衍射现象Disco
76、veryofdiffractionattheedgeofshadowsRmer(1675)丹麦第一次算出光速LightpropagateswithafinitevelocityHuygens(1678)荷兰荷兰lightisakindofsinglewaveofsomematterpropagatingincirclesfromthesource.Explainslinearpropagation,reflectionandrefractionbythisconception光是一种波！光是一种波！Newton(1704)ExplanationofcoloursDescriptionofNew
77、tonringsAttheendofhisbook,helistsaseriesofquestions:rays of light are very small bodies emitted from shining substances Corpuscular(particle)concepttriumphsin18thcenturyThere exists a periodic effect in light which inducesalternatively easy reflection and easy transmission 光是一些小微粒光是一些小微粒YoungandFres
78、nelYoung(1800):discoversinterferences:monochromaticlightisasinusoidalwave:lightpluslightcangiveobscurityFresnel(1814-20):Lightisanoscillatoryquantitydefinedinallpointsofspace:mathematicaltheoryofdiffraction,interferences光是一种波！光是一种波！FaradayandMaxwellFaraday(1840)introducestheconceptsofelectricandmagn
79、eticfieldslinesofforcesexistinginanypointofspaceMaxwell(1862)writesthelawsofevolutionofthesefields,findselectromagneticwavesLightisanelectromagneticwave!光确实是一种波！光确实是一种波！黑体辐射解释光电效应解释theComptonscatteringofX-rays.光确实是一个个粒子光确实是一个个粒子,PhotonDuality!一束光本质是电磁波.光场可以想象为由许多光子组成,有波峰有波谷,但由于光子的粒子性,这些由许多光子组成的光场在其描
80、述波峰与波谷特性的振幅与位相上有量子起伏.“相干”就意味着构成光场的光子各自的波长,振幅与相位都比较一致光场的量子起伏比较小.烛光的光场的量子起伏较大“混沌”态.激光相干光1963年格劳伯应用量子理论解释了一些光学现象年格劳伯应用量子理论解释了一些光学现象,他在他在物理评论通信物理评论通信和和物物理评论理评论等杂志上发表了几篇相关论文等杂志上发表了几篇相关论文,创造性地提出了创造性地提出了“光子的相干性量子理光子的相干性量子理论论”,成功地成功地描述了光量子的运动规律描述了光量子的运动规律,揭示了光量子的特性揭示了光量子的特性,以及大量光量子如以及大量光量子如何互相影响他们之间的运行方式何互相
81、影响他们之间的运行方式,产生产生“干涉干涉”现象现象等等等等.格劳伯的这些论文格劳伯的这些论文,奠奠定了量子光学学科的理论基础定了量子光学学科的理论基础. 量子光学是研究光场的量子统计特性和光场与物质量子光学是研究光场的量子统计特性和光场与物质相互作用的学科相互作用的学科.它们包含了真空起伏的量子涨落它们包含了真空起伏的量子涨落,因而具有经典体系所不因而具有经典体系所不具具有的统计性质有的统计性质.这种光场的量子性又导致人们对压缩态的研究这种光场的量子性又导致人们对压缩态的研究.传统光学以干涉现象作为光场相干性的物理基础.实质是描述光场相位起伏的程度.1956年年HBT (Hanbury -
82、Brown- Twists)实验实验 相关器测量到的是两个不同时空点光相关器测量到的是两个不同时空点光场强度起伏的关联场强度起伏的关联,不再是过去的相干不再是过去的相干实实验中所测的光场强度自身的相位关联验中所测的光场强度自身的相位关联.这是过去任何经典干涉与衍射实验所没能观察这是过去任何经典干涉与衍射实验所没能观察到的到的. 就相干光的频率而言就相干光的频率而言,光场的强度起伏关联光场的强度起伏关联是一个缓慢变化的量是一个缓慢变化的量,它的测量值受到外界的扰它的测量值受到外界的扰动动要比测量相位关联微弱得多要比测量相位关联微弱得多.v首次证实了光场存在有高阶相关效应首次证实了光场存在有高阶相
83、关效应v给相干性带来了全新的概念给相干性带来了全新的概念根据经典理论根据经典理论,传统光场的随机性只用一个一阶相关函数描述就传统光场的随机性只用一个一阶相关函数描述就够够了了,这就是一阶相干度为这就是一阶相干度为1时时,即对应完全相干性情况即对应完全相干性情况.然而然而,HBT实验实验测测出的光场起伏却表明出的光场起伏却表明,上述相干性的描述并不完备上述相干性的描述并不完备,还必须补充二阶还必须补充二阶或或更高阶的相关函数更高阶的相关函数.只有当一阶、二阶或更高阶的相干度均为只有当一阶、二阶或更高阶的相干度均为1时，时，才才能称为完全相干光能称为完全相干光.v量子电磁场意义下的相干态光场，并不
84、是无噪声的光场量子电磁场意义下的相干态光场，并不是无噪声的光场Quantum Field Theory forbosonsFieldoscillationmodesharmonicoscillatorsForharmonicoscillator:lowersexcitationraisesexcitationcommutationrelationship量子光学中量子光学中,相干性的量子理论引导出相干性的量子理论引导出“相干态相干态”的诞生的诞生.描描述述一个物理上真实的光场量子态一个物理上真实的光场量子态.Coherent States:Poisson distribution相相干干态态烛
85、光烛光激光激光=2状态不同状态不同烛光与激光烛光与激光哪里不同？哪里不同？用颜色用颜色,能量能量,准直性准直性不能区别烛光与激光不能区别烛光与激光真的是空的吗？任何光场包括激光场任何光场包括激光场,都有能量的起伏都有能量的起伏(散散弹噪声弹噪声),这种起伏的本质由于光子的数目这种起伏的本质由于光子的数目在真空中有起伏引起的在真空中有起伏引起的,是一种量子特性是一种量子特性,它使光子组成的光场的各种特征量它使光子组成的光场的各种特征量(振幅振幅,相位相位)都会产生起伏都会产生起伏,这种起伏会对光场的这种起伏会对光场的测量造成一定的限制测量造成一定的限制.最简单的状态最简单的状态: 真空态真空态(
86、vacuum state)什么都没有!真空AbsolutelyNothing 早期量子理论着重研究单个光子的量子特性早期量子理论着重研究单个光子的量子特性.激光出现后激光出现后,光场的简并度可以达到很高光场的简并度可以达到很高.在光与原子相互作用的过程在光与原子相互作用的过程,特别特别是非线性过程中是非线性过程中,出现某些新的量子效应出现某些新的量子效应,例如光子反聚束效应例如光子反聚束效应,亚泊松分布和压缩态等亚泊松分布和压缩态等,它们完全没有经典对应物它们完全没有经典对应物,纯属于光的纯属于光的量子现象量子现象,即即光场的非经典效应光场的非经典效应. 同时同时,由于压缩光具有比一般标准量子
87、噪音低的起伏由于压缩光具有比一般标准量子噪音低的起伏,可可以大幅度地提高信噪比以大幅度地提高信噪比,可望能在对像引力波这样的微弱信可望能在对像引力波这样的微弱信号检测、光通信及原子、分子物理学等方面得到特殊的应号检测、光通信及原子、分子物理学等方面得到特殊的应用用.因此因此,光压缩态研究已成为目前光学领域中重要的基础光压缩态研究已成为目前光学领域中重要的基础研研究与前沿课题之一究与前沿课题之一. 20世纪世纪90年代年代,科学家研究出一种科学家研究出一种“非经典光场非经典光场”,其相位噪声或振幅噪声低于通常由真空引起的噪声其相位噪声或振幅噪声低于通常由真空引起的噪声,称称为为“压缩态光场压缩态
88、光场”.压缩光是非经典光压缩光是非经典光,它的量子特性对于揭示场的物理本质有着它的量子特性对于揭示场的物理本质有着重要的价值重要的价值.压缩态光场又是通过非线性过程由相干光场产生的压缩态光场又是通过非线性过程由相干光场产生的,对它的研究又使量子光学与非线性光学得到了交叉对它的研究又使量子光学与非线性光学得到了交叉.真空态真空态相干态（激光）相干态（激光）SqueezedvacuumstateEPRstateQuantumStateEngineering(量子态工程量子态工程)热态（烛光）热态（烛光）FockstateClassicalWorldNon-ClassicalWorld形形色色的量子
89、态形形色色的量子态所有状所有状态都可以从真空中都可以从真空中产生出来生出来“天下万物生于有，天下万物生于有，有生于无有生于无”老子老子第第40章章 格劳伯科学思想的意义在于第一次创造性提出了用量格劳伯科学思想的意义在于第一次创造性提出了用量子本性解释光宏观现象子本性解释光宏观现象,这种思想不但给出了光的一切宏观这种思想不但给出了光的一切宏观现象的量子本质现象的量子本质,并且对光的量子本性也是一个最好的证明并且对光的量子本性也是一个最好的证明. 量子光学的研究量子光学的研究,推动了人们对于大量光子的非经典推动了人们对于大量光子的非经典特性的研究和光子本质的深刻认识特性的研究和光子本质的深刻认识,
90、也孕育了新的研究方也孕育了新的研究方向向,如压缩态如压缩态,纠缠态纠缠态,量子计算量子计算,量子通信等量子通信等. 激光的出现激光的出现,使量子光学研究从理论预言进入了一个使量子光学研究从理论预言进入了一个全新的时代全新的时代:物理实现物理实现.量子光学学科的基本思想也从利量子光学学科的基本思想也从利用量子力学原理解释光的特性和揭示光与原子相互作用用量子力学原理解释光的特性和揭示光与原子相互作用的量子现象的量子现象,逐步过渡到了利用激光这样高亮度逐步过渡到了利用激光这样高亮度,高相干高相干高单色性和方向性的光源进行各种物理实验高单色性和方向性的光源进行各种物理实验. 测量振荡器产生的电磁波在真
91、空中的和(测量光的相速)光速的测量(17thcentury)飞行时间测量法(测量光在真空中的群速,空间距离长,n变化,偶然误差很大)v1969年,Hall小组研制CH4稳频的He-Ne稳频激光器,波长vNIST,Evenson将其频率通过光频率链的方法和铯束频标的标准频率比较,测得其频率为()vHall精确测定其波长值得到光速值为v1973年第五次米定义咨询委员会会议讨论,推荐CH4谱线和估计精度为的真空波长值为以及频率值,推荐光速值TheMetreisthelengthofthepathtravelledbylight(invacuum)in1/299792458ofasecond(1983
92、) 光速值由测量值变为定义值，精确地测光速值由测量值变为定义值，精确地测量频率就可测出波长量频率就可测出波长光速的精密测量引起光速的精密测量引起了长度计量的重大革命了长度计量的重大革命测量长度可见光波段可见光波段 ,对应频率范围对应频率范围Seemedimpossible测量激光频率长度的精度激光频率的精度1875巴黎计量局的米原器(实物基准)196011届国际计量大会定义米为氪(Kr)86原子橙黄色光波长1650763.73倍(自然基准)1973精密测量稳频激光器的频率目前最高精度的目前最高精度的频率率标准准为Cs原子原子钟频率率标准准,其准确度其准确度为基准基准频率率为Cs原子基原子基态共
93、振共振频率率 Possiblesolution？opticalfrequencychain 光频链光频链通过非线性变换(倍频)等手段,将光学频率变换到微波频率，由此测定光学频率标准的准确频率值.v一条光频链需要十几个不同频率的稳频激光器组成一条光频链需要十几个不同频率的稳频激光器组成,设备庞大设备庞大,不便搬运不便搬运,操作及其复杂操作及其复杂.v一条光频链只能测量一个激光频率一条光频链只能测量一个激光频率”点频测量点频测量”,极低的非线性效率极低的非线性效率.v多次转化所形成的积累误差，决定了用其测量光频的复杂性和不确定性多次转化所形成的积累误差，决定了用其测量光频的复杂性和不确定性.实现光
94、学频率的连续测量飞秒激光光束技术利用脉冲激光进行激光频率的精密测量思想的提出：利用脉冲激光进行激光频率的精密测量思想的提出：Eckstein J N, Ferguson A I, Hansch T W. P. R. L, 1978,40,847 Baklanov Ye V, Chebotayev V P. App. Phys. A,1977, 12, 97腔长L的谐振腔,增益线宽内存在大量等间隔的纵模,相邻纵模频率间隔频域内等间距的频率梳时域内等间距的脉冲激光光学频率梳简介光学频率梳简介一般情况下,初始脉冲的频率不在零频处(光脉冲在腔内传播时).光在腔内来回一次,载波与包络之间会产生一个相对相
95、移,在频率域相当于整体纵模移动了的频率(offsetfrequency,偏置频率)偏置频率偏置频率 和频率间隔和频率间隔 的稳定是激光梳状发生器成功的关键的稳定是激光梳状发生器成功的关键超短激光脉冲的宽度越窄超短激光脉冲的宽度越窄,其对应的光谱也就越宽其对应的光谱也就越宽,存在的纵模存在的纵模数也就越多数也就越多.ps激光的频率带宽极其有限激光的频率带宽极其有限,很难测量到偏置频率很难测量到偏置频率. 90年代年代fs激光的出现激光的出现,使得同时控制重复频率与偏置频使得同时控制重复频率与偏置频率成为可能率成为可能.Hansh小组与小组与Hall小组合作小组合作,利用利用锁相技术锁相技术将飞将
96、飞秒激光的重复频率锁定秒激光的重复频率锁定,并利用并利用光子光纤光子光纤将飞秒激光的带宽将飞秒激光的带宽由由700-900nm扩展到扩展到500-1200nm,利用利用自倍频自倍频的方法的方法,实现实现了偏置频率的锁定了偏置频率的锁定. 重复频率重复频率 和偏置频率和偏置频率 都在射频段都在射频段(10-100MHz),只要用只要用Cs 原子钟就可直接锁定二者原子钟就可直接锁定二者.激光纵模一经锁定后，其将保持固激光纵模一经锁定后，其将保持固定的位置定的位置,相当于频率间隔相等的梳子相当于频率间隔相等的梳子,因而称之为因而称之为频率梳频率梳.第第n级光梳频率级光梳频率 的精度就可以和的精度就可
97、以和Cs原子原子钟的精的精度一度一样,达到达到的不确定度的不确定度. 如要测量任意未知光学频率如要测量任意未知光学频率 ,只要测量出其与邻近光梳频率只要测量出其与邻近光梳频率 的差的差 , 则未知频率则未知频率 也具有也具有 的精度的精度.此技术对于精密测量技术是一场革命.在原子结构与物理常数的精密测量发挥着极为重要的作用,特别是氢原子结构参数的测量目前所有原子结构参数测量中最为精密的一种.飞秒激光光学梳状发生器频率覆盖400-1200nm,它能精确测定激光的任意频率.而且体积小,结构简单,可以很方便地测定激光的任意频率.1987双光子光谱直接测量H原子1S-2S跃迁频率:10位有效数字199
98、2原子束与CH4光频标测量精度提高了18倍1997原子束与高精度CH4光频标加双光子跃迁13位有效数字2000飞秒光学梳状发生器飞秒光学梳状发生器14位有效数字位有效数字 光频梳的发明光频梳的发明,使得人们第一次能够用微波频使得人们第一次能够用微波频标标直接测量光学频标直接测量光学频标,并进而为发展更高精度的下一并进而为发展更高精度的下一代代光钟光钟,实现用光学频标标定微波频标提供了可能实现用光学频标标定微波频标提供了可能. 激光精密测量技术激光精密测量技术 为验证基本物理常数为验证基本物理常数,检验广义相对论与狭义相检验广义相对论与狭义相对论对论,测量脉冲星测量脉冲星,原子与分子精密光谱测量
99、等基础原子与分子精密光谱测量等基础研研究提供新的方法与技术究提供新的方法与技术 为应用领域如为应用领域如,时间与频率计量时间与频率计量,长距离时钟同长距离时钟同步步,甚长基线干涉测量甚长基线干涉测量,高精度高精度GPS,遥远星空跟踪与探遥远星空跟踪与探测测,通信导航地球旋转的监测等提供性的技术通信导航地球旋转的监测等提供性的技术. 在科学上没有平坦大道，只在科学上没有平坦大道，只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。人，才有希望达到光辉的顶点。 There is no royal road to science, and onlythose who do not dread the fatiguing climbof its steep paths have a chance of gainingits luminous summits. Karl MarxToseeaworldinagrainofsand,一沙一世界一沙一世界，Summary (William Blake)Andaheaveninawildflower,一花一天堂一花一天堂，Holdinfinityinthepalmofyourhand,掌中握无限，Andeternityinanhour.刹那即永恒。
