光頻梳雷射系統與銫原子6S-8S雙光子躍遷光譜

Optical frequency comb laser system and Cesium 6S-8S two-photon transition spectroscopy

吳建明

指導教授 ： 李瑞光 ； 鄭王曜

國立清華大學/電機資訊學院/光電工程研究所/博士(2014年)

摘要

銫原子6S-8S雙光子躍遷是個相當優質的譜線，它不受一階磁場效應的干擾，也可以很輕易的消除一階都卜勒效應。在研究價值上，它可以用來驗證與研究相當多的物理定律，如宇稱不守恆與夸克質量是否會改變等。在應用方面，它有潛力成為一個可靠且輕巧的光頻率標準源。
本篇論文建立了穩頻半導體雷射系統與光頻梳雷射系統來研究此躍遷，透過一個電光調制器我們同時達成了鎖頻兼掃頻的任務，在Pound-Drever- Hall的技術下我們縮減了雷射線寬而一步一步描繪出高解析的光譜，透過函數擬合光譜訊號以及以銫原子鐘為基準的光頻梳雷射測量掃頻雷射的頻率，我們得出5 kHz量測不準度的躍遷頻率中心值，但是我們的量測結果與德國Max Planck研究所的Hänsch團隊有著4σ的差異。為了找出這個差異的原因，我們檢驗了10支實驗室裡的銫原子氣室之躍遷絕對頻率，其中有些氣室來自不同的製造公司，修正了已知的頻率偏移效應後，我們發現這些氣室所量測到的躍遷絕對頻率可以差距到400 kHz，而且絕對頻率的差距與螢光線寬有高度正相關性。我們最終選取兩個線寬最窄也最接近理論計算的氣室，以其量測值的平均來決定出躍遷絕對頻率，並且將不準度保守評估為10 kHz。這個成果發表在2013年的Optics Letters期刊上，並且獲得美國光學學會選為8月份的Spotlight on Optics。
此外，我們藉著調制雷射相位，進行了雙光子躍遷量子干涉的觀測。我們觀察到原本單純的雙光子光譜出現了許多新的光譜訊號，這些訊號不僅強度隨著調制深度而有變化外還伴隨著干涉的效應，因此在適當的條件下，即使載波的雷射頻率仍存在，但螢光訊號卻幾乎消失，證實了破壞性量子干涉的存在。

關鍵字

光頻梳雷射 ； 半導體雷射 ； 銫原子 ； 雙光子躍遷 ； 絕對頻率 ； 穩頻雷射

參考文獻

[65] 李明翰, "飛秒光頻梳的改進", 清華大學物理所碩士論文 (2008).

[1] A. Derevianko and S. G. Porsev, "Theoretical overview of atomic parity violation ", Eur. Phys. J. A 32, 517 (2007).

[2] T. H. Dinh, A. Duning, A. Dunning, V. A. Dzuba and V. V. Flambaum, "Sensitivity of hyperfine structure to nuclear radius and quark mass variation", Phys. Rev. A 79, 054102 (2009).

[5] Y. Y. Chen, T. W. Liu, C. M. Wu, C. C. Lee, C. K. Lee and W. Y. Cheng, "High-resolution 133Cs 6S-6D, 6S-8S two-photon spectroscopy using an intracavity scheme", Opt. Lett. 36, 76 (2011).

[6] M. Roberts, P. Taylor, S. V. Gateva-Kostova, R. B. M. Clarke, W. R. C. Rowley and P. Gill, "Measurement of the 2S1/2-2D5/2 clock transition in a single 171Yb+ ion", Phys. Rew. A 60, 2867 (1999).