Когерентная лазерная спектроскопия атомов водорода и рубидия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ



Российская Академия наук Физический институт им. П.Н. Лебедева

На правах рукописи

Колачевский Николай Николаевич

Когерентная лазерная спектроскопия атомов водорода и рубидия

01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

МОСКВА, 2005

Работа выполнена в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАИ х Ив статуте квантовой оптики общества им. Макса Плавка (Германия).

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Губин М.А.

доктор физико-математических наук Пальчиков В.Г.

доктор физико-математических наук Городецкий М.Л.

Оппонирующая организация - Институт Спектроскопии РАН (г. Троицк)

Защита состоится " 23 " ноября 2005 г. в 12°° часов

на заедании диссертационного совета Д002.023.03

при <3>азическом институте им. П.Н. Лебедева РАН по адресу:

119991 Москва, Ленинский проспект 53, тел. 132 65 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического института им. П.Н. Лебедева РАН

Авто}кферат разослан " " октября 2005 г.

Учены!! секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

I IJ.IO.2oc>-

Шиканов А.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

Прецизионная спектроскопия оптического диапазона является одним из мощнейших инструментов для исследования структуры энергетических уровней в атомных системах. Исследования, выполненные в начале прошлого века на атоме водорода, привели к возникновению теории квантовой электродинамики (КЭД), которая с исключительно высокой точностью подтверждается в эксперименте. Выводы КЭД являются неотъемлемой и чрезвычайно важной частью многих областей современной физики и широко используются при анализе экспериментальных данных для определения таких фундаментальных величин, как постоянная Ридберга, лэмбовский сдвиг, постоянная тонкой структуры и

В последние годы точность расчетов КЭД была существенно повышена, был проведен глубокий анализ вкладов двухпетлевых и многопетлевых поправок, определены вклады слабого взаимодействия и пр. Существенные успехи были достигнуты в теоретических и экспериментальных исследованиях ^-фактора связанного электрона в ионах С5+ и 06+ [1, 2] и энергетических уровнях мюо-ния [ц+е~) [3]. Экспериментальная проверь справедливости малых поправок квантовой электродинамики связанных систем является актуальным направлением современной физики и имеет большое значение для определения точных значений фундаментальных констант.

Точность теоретического расчета энергий уровней в нейтральных водородо-подобных системах ограничена погрешностью экспериментального измерения зарядового радиуса ядра. В настоящей работе исследуется специфическая разность 1)21 — 8 £^(25) - где 25) и £?нрз(15) - энергии сверхтонкого расщепления уровней 25 и 15 соответственно. Известно [4], что при вычислении этой разности лидирующий вклад энергетических поправок, возникающих за счет конечного размера ядра, сокращается.

В свою очередь, погрешность экспериментального значения Д21 определяется погрешностью измерения сверхтонкого расщепления труднодоступного 25 уровня [5, 6, 7]. Актуальной задачей является разработка нового прецизионного метода измерения сверхтонкого расщепления в нейтральных водородоподоб-ных атомах и анализ малых поправок КЭД, формирующих Дгь Эти поправки также играют важную роль при расчетах энергии уровней в мюонии и позитронии (е+е~). Прогресс методов прецизионной когерентной лазерной спектроскопии позволил развить и успешно реализовать новую оптическую методику определения £нрб(25) в атомах водорода и дейтерия.

К одной из фундаментальных проблем современной физики относится построение теории, объединяющей гравитационное, сильное и электрослабые взаимодействия. Существует несколько теоретических подходов, рассматривающих такое объединение, однако ни один из них не подлежит прямой эксперимен-

ДР-

талы эй проверке ввиду огромного масштаба энергий, при которых наступает объединение. Теории допускают возможность нарушения принципа эквивалентности Эйнштейна и существование дрейфа фундаментальных негравитационных констант во времени. Так, в работах [8, 9] допускается дрейф постоянной тонкэй структуры а/а на уровне 10-16-10-18 в год. Поиск дрейфа фундаментальных констант является актуальным направлением исследований, позволяющим судить о применимости новых теоретических моделей объединения фундаментальных взаимодействий.

4} вствительность астрофизических и геологических методов к линейному дрейфу а достигла Ю-15 - Ю-17 в год [10, 11, 12]. Существуют как указания на »»нулевое значение дрейфа [10], так и на значение, согласующееся с нулевым (например, [11]). При обработке экспериментальных данных используется ряд сильных модельных допущений, таких как корреляции констант различного типа взаимодействий, астрофизические модели и модели эволюции земной корь.

Анализ лабораторных данных позволяет наложить ограничение на дрейф фундаментальных констант непосредственно в современную эпоху. Однако, доступные до настоящего момента лабораторные данные по прецизионному измерению дрейфа частот атомных переходов не позволяли наложить ограничение на дрейф а без допущений о дрейфе других фундаментальных констант. Разраг ботк! лабораторного метода и проведение измерений, позволяющих наложить огра шчение на дрейф постоянной тонкой структуры на уровне à/a ~ 10_15/год без привлечения модельных допущений является актуальной задачей современной физики. До появления работ, легших в основу данной диссертации, все ограг ничения на дрейф фундаментальных констант в современную эпоху делались с привлечением сильных модельных допущений, что существенно снижало их значимость.

Определение оптических частот является одним из наиболее точных измерений в современной физике: точность сравнения с первичным цезиевым стандартом превысила уровень Ю-14 [13, 14]. Как показано в данной работе, исследование стабильности частоты узких оптических переходов в атомных системах открывает возможность наложить строгое ограничение на дрейф а. Было проведено исследование стабильности частоты двухфотонного перехода \S-2S в атоме водорода на уровне точности Ю-15 в год, что позволило наложить жесткое модельно-независимое ограничение на дрейф а с привлечением прецизионных спектроскопических данных, полученных в других атомных системах.

Г «явление возможности точного измерения оптических частот относительно первичного стандарта стимулировало работы по поиску новых стабильных реперов частоты оптического и микроволнового диапазонов. Сочетание высокой добротности атомных резояансов с высокой стабильностью их частот позволяет рассчитывать на достижение уровня точности вплоть до Ю-18, что превосходит предельную точность первичных цезиевых стандартов. В работе предлагаете;« использовать резонансы когерентного пленения населенности (КПН) в

качестве новых реперов частоты микроволнового и оптического диапазонов. Явление КПН возникает в трех- и многоуровневых атомных системах при их взаимодействии с бихроматическим электромагнитным полем. При этом ширина резонансов КПН, в предельном случае определяющаяся временем распада когерентности нижних уровней атомной системы, оказывается чувствительной к разностной фазе компонентов поля.

Для прецизионного исследования когерентных п роцессов пленения населенности в атомных системах с большим расщеплением нижних уровней, лелсицим в микроволновом и оптическом диапазонах, требуется универсальный перестраиваемый источник бихроматического фазово-когерентного поля. Комбшируя спектральные свойства импульсно-периодического фемтосекундного лазора и метода фазовой стабилизации лазерных источников, открывается возможность создания такого источника, реализованная в настоящей работе. До начала работы возможность исследования атомных систем с помощью связанных пэ фазе световых полей, разностная частота которых перестраивалась в диапазэае до 10 ТГц, не была реализована.

Диссертация посвящена прецизионным измерениям в атоме водорода, дейтерия и когерентной спектроскопии атома рубидия. Экспериментальные результаты получены методом двухфотонной лазерной спектроскопии на пучке атомарного водорода (дейтерия) второй гармоникой излучения стабильного лазера на красителе с А = 486 нм с частичным использованием эксперимента.! эного оборудования, находящегося в распоряжении института Квантовой Оптики им. Макса Планка, Германия. Работы над созданием бихроматического источника на базе импульсно-периодического фемтосекундного лазера и исследование явления КПН проводились в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН.

Цель работы и основные задачи исследования.

Основной целью работы являлось: прецизионное измерение структуры р энергии уровня 25 в атомах водорода и дейтерия и развитие метода точных ьссле-дований квантовых интерференционных явлений в атомных системах.

Для достижения этой цели в ходе работы решались следующие основные задачи:

• Разработка оптического метода,измерения сверхтонкого расщепления уровня 2S в атомарном водороде в слабых магнитных полях (менее 1 мГ'с).

• Прецизионное измерение частоты сверхтонкого расщепления уровня 2S в атомах водорода и дейтерия с учетом систематических эффектов.

• Измерение абсолютной частоты перехода 1S-2S в атоме водорода относительно частоты цезиевого первичного стандарта частоты.

• Развитие теоретической модели двухфотонного возбуждения атома водорода в пучке в присутствии фотоионизации, создание модели формы

линии и сравнение различных методов обработки данных.

• Разработка метода определевия верхней границы дрейфа постоянной тонкой структуры и других фундаментальных констант в современную эпоху из спектроскопических данных без привлечения сильных модельных допущений.

• Создание широкополосного 4 азово-когерентного бихроматического источника лазерного поля на базе фемтосекундного лазера. Детальное исследование свойств источника и его применение для спектроскопических исследований квантовых интерференционных явлений в атоме рубидия.

Научная новизна работы.

Результаты, полученные в данной работе, являются новыми и оригинальными.

Уточнены значения сверхтонкого расщепления 25 уровня в атомах водорода и дейтерия с применением оптического метода двухфотонного возбуждения 25 уровня. Повышена экспериментальная точность определения важной для теории разности Д21 в нейтральных водородоподобных системах, что открыло доступ к исследованию малых поправок квантовой электродинамики к энергии сверхтонкого расщепления в атомах водорода и дейтерия. Увеличена точность измерения частоты 15-25 в атоме водорода, разработана новая модель возбуждения этого перехода в присутствие фотоионизации. Экспериментально продемонстрирована воспроизводимость определения частоты 15-25 на уровне относительной точности Ю-14, что необходимо для надежного определения постоянной Ридберга.

Экспериментально определена верхняя граница относительного дрейфа частоты перехода 15-25 в атоме водорода на уровне Ю-15 в год. Разработан новый метод разделения вкладов дрейфов фундаментальных констант различной природы в дрейф частот оптических переходов. Определена верхняя граница дрейфа постоянной тонкой структуры в современную эпоху без привлечения модельных допущений о связи дрейфов констант связи различной природы.

Исследовано явление когерентного пленения населенности в атоме самария с помощью независимых лазерных источников. Разработан и создан принципиально новый источник бихроматического поля с диапазоном перестройки разностной частоты вплоть до 10 ТГц. Метод синтеза бихроматического поля, положенный в основу лазерного источника, открыл возможность создания реперов частоты, обладающих высокой стабильностью.

Практическая значимость работы.

Результаты работы непосредственно связаны с актуальной темой разработки вторичных стандартов частоты оптического и микроволнового диапазонов. Реализованные технологические методы, заключающиеся в создании систем ста-

билизации лазерных излучателей с использотанием высокодобротных резонаторов и атомных переходов с точностью вплоть до Ю-14, могут быть использованы при решении задач точного измерения временных интервалов, что необходимо для прогрессивного развития таких областей как высокоскоростная защищенная передача данных, навигация и прецизио;гаые метрологические измерения.

Созданный бихроматический источник фазово-когерентного лазерного поля позволяет осуществлять стабилизацию лазерной частоты относительно перехода в атомном газе, находящемся в кювете, что выигрышно отличает этот метод от спектроскопии на пучках и в ионных ловушках.

Спектроскопическое исследование атома водорода, выполненное в рамках данной работы, открыло возможность для создания транспортабельной спектроскопической установки на базе полупрово,цникового лазера для дальнейшего проведения экспериментов в антиводорде, тритии и непосредственного сравнения частоты перехода 15 -25 в атоме водорода с другими оптическими стандартами частоты.

Разработан и реализован новый метод разделения вкладов дрейфов фундаментальных констант различной природы в дрейф абсолютной частоты оптических переходов. Полученный результат накладывает строгое ограничение на относительный дрейф постоянной тонкой структуры в настоящую эпоху на уровне Ю-15 в год, что является важным результатом для современной метрологии.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Экспериментально измеренная частота сверхтонкого расщепления уровня 25 в атоме водорода составляет:

E¡Í&(2S)/h = 177 556 860 ± 16 Гц.

2. Экспериментально измеренная частота сверхтонкого расщепления уровня 25 в атоме дейтерия составляет:

ehfs(2s)/h = 40 т 454 ± 7 гч-

Точность настоящих измерений в 2-3 раза превосходит точность результатов, полученных методом радиоспектроскопии.

3. Экспериментально измеренная абсолютная частота перехода 15-25 в атоме водорода составляет:

/is-2sid) = 2 466 061413187078 ± 34 Гц. Дрейф частоты не превышает (—3.2 ± 6.4) • Ю-15 год-1.

^. Экспериментально установлено, что относительный дрейф постоянной тонкой структуры в современную эпоху не превышает

041па = (-0.3 ± 2.0) • Ю-15 год"1,

а дрейф магнитного момента ядра цезия-133 не превышает

дг 1п

9с*-— Рв

= (0.6 ± 1.3) ■ Ю'и год-1.

с применением модельно-независимого метода обработки данных.

Е. Установлено, что дрейф р-фактора протона в современную эпоху не превышает

дг 1п дР = (-0.05 ± 0.56) • Ю-18 год"1. с привлечением шмидтовской модели.

6. Бихроматический источник фазово-когерентных полей, разработанный на базе фемтосекундного лазера с пассивной синхронизацией мод, обладает диапазоном перестройки разностной частоты вплоть до 10 ТГц, определяемым шириной спектра фемтосекундного лазера, и позволяет регистрировать узкие резона,нсы когерентного пленения населенности с шириной вплоть до 1 кГц.

Ащюбация работы и публикации.

Результаты работы докладывались на ряде семинаров в российских и зару-бежкых институтах и университетах (ФИАН, ИСАН, ВНИИФТРИ, Института квантовой оптики общества им. Макса Планка, Университета г. Инсбрук и др.). По теме диссертации опубликовано более 40 научных работ. В заключительной часи автореферата приведены ссылки на основные публикации в ведущих российских и иностранных научных журналах [20] - [36] и материалах конференций [37] - [55]. Результаты работы докладывались автором на следующих конференциях: [37, 40, 43, 44, 45, 47, 48, 53, 54, 55].

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, 7 приложений и списка литературы, включая основные публикации по материалам диссертации. Объем диссертации - 233 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

В первой главе диссертации изложены основы метода субдоплеропской двухфотонной спектроскопии на пучке атомарного водорода во встречны> световых полях одинаковой частоты. Количественно охарактеризованы основные физические процессы, вносящие вклад в форму и положение линии двухфогон-ного резонанса: трехфотонная ионизация, статический и динамический эфоек-ты Штарка, эффект Доплера второго порядка и эф4>ект отдачи.

Представлена лазерная система, основой которой является лазер на красителе '■Coumarin 102" (длина волны 486 нм, мощность - 0.6 Вт) с накалкой излучением лазера на ионах криптона. Подробно описана разработанная и реаг лизованная в настоящей работе система активной стабилизации частоты лгиера относительно частоты продольной моды внешнего стабильного монолитного резонатора.

Резонатор был выполнен из специального стекла, обладающего коэффициентом теплового расширения на уровне Ю-8 К-1 вблизи комнатной температуры. Диапазон свободной дисперсии резонатора составлял 1 ГГц, а его резкость 80 ООО. Резонатор был помещен в сейсмо- и акусто-изолированную вакуум ную камеру, температура которой поддерживалась постоянной с помощью двух каскадной системы температурной стабилизации. Остаточные флуктуации температуры на поверхности камеры составляли 5 мК. Стабилизация частоты лшера относительно частоты моды резонатора осуществлялась с помощью модуляционного метода Паунда-Дривера-Холла [15]. Для управления частотой лгоера на красятеле использовались внутрирезонаторные элементы - электрооптический модулятор, пьезо-элемент и гальво-пластинка. Ширина частотной полосы электронная системы обратной связи составляла 2 МГц.

Исследованы спектральные характеристики лазерной системы - платый дрейф частоты и ширина спектра излучения. Используя переход 1S-2S1 в сто-ме водорода в качестве неабсолютного репера частоты, был измерен дрейф резонатора (рис. 1а). Показано, что дрейф частоты, обусловленный остаточными температурными флуктуациями, не превышает 0.5 Гц/с в то время, как дрэйф частоты из-за рекристаллизации материала составляет 0.06 Гц/с.

Спектральная ширина линии излучения лазера измерялась с помощью исследования сигнала биений двух световых полей, стабилизированных по частоте относительно независимых эквивалентных резонато]х®. Результат измерений представлен на рис. 16. На основании исследований можно сделать вывод, что спектральная ширина линии излучения лазера составляет 60 Гц при времени усреднения 0.2 с.

Описывается принцип работы пучкового водородного спектрографа. Возбуждение атомарного водорода, получающегося в результате диссоциации в радиочастотном разряде, осуществлялось в линейном резонаторе, стабилизированном относительно второй гармоники лазера на красителе (Ли = 243 нм). Пучок водорода охлаждался на медном сопле до 5 К с помощью гелиевого

14

5 3 о

а»

^ о

Рис. 1: а) - дрейф частоты лазера на 486 нм. б)- спектральная ширина линии излучения лазера. Время усреднения - 0.8 с.

криостата. Использовался метод селекции атомов по скоростным группам, что позволило уменьшить вклад время-пролетного уширения и эффекта Доплера второго порядка.

В результате значительного улучшения стабильности лазерной системы, достигнутой в этой работе, разрешение водородного спектрометра было повышено вплоть до 2 • 1012. Узкая линия перехода (15, ^ = 1, тр ~ ±1) —> (25, Р 1, т'р = тр) в атоме водорода (-Р - полное квантовое число атома, тр - магнитное квантовое число), зарегистрированная для группы атомов со скоростями V < 100 м/с, представлена на рисунке 2. Ширина спектра составляет около 1 кГц на частоте 2466 ТГц.

I ' I — I

РУУНМ = 1060 Гц

-84-4 -2 02468 отстройка [кГц @ 121 им]

Рис. 2: Линия перехода (15, ^ = 1, гпр = ±1) -» (25, Р4 = 1, т'р = тр) в атоме водорода. Ширина линии на полувысоте (РЦГНМ) составляет 1 кГц.

Во второй главе диссертации описано измерение энергии сверхтонкого расщепления -Виге(25) уровня 25 в атомах водорода и дейтерия.

В первой части главы проводится анализ теоретических исследований энергии сверхтонкого расщепления уровней в водородоподобных атомах и специфической разности Ди = в^нгеДО) — Янге^) [3, 4]. Показано, что точность расчета энергии сверхтонкого расщепления в водороде и дейтерии ограничена точностью определения структуры ядер этих элементов и не превышает Ю-5. В свою очередь, поправка к энергии Янв^ возникающая за счет наличия структуры ядра, пропорциональна 1 /тг3 (я - главное квантовое число), и при вычислении разности £>21 лидирующий вклад поправок этого типа сокращается. Исследование разности Д21 открывает возможность проверки поправок квантовой электродинамики к энергии сверхтонкого расщепления, зависимость которых от главного квантового числа отличается от 1 /га3. Показано, что экспериментальная точность определения разности Дг1 ограничена точностью измерения расщепления труднодоступного возбужденного состояния 25 и увеличение этой точности открывает возможность исследования малых поправок к .021.

Рис. 3: Структура уровней 15 и 25 в водороде и дейтерии и их расщепление в магнитном поле В (не в масштабе).

В основу измерения Л?нгя(25) положено сравнение частот двухфотонных переходов между соответствующими компонентами сверхтонкой структуры а и /?, как показано на рис.3. Как следует из структуры уровней, в отсутствие магнитного поля оказывается справедливым соотношение:

*«га(25)/Л = £нрз(15)//1 + /„ - Д. (1)

Поскольку величина Ецрз(18)/к известна экспериментально с субгерцовой точностью, задача эксперимента заключалась в измерении разности оптических частот ¡^ — /а, лежащей в радиочастотном диапазоне.

В эксперименте область взаимодействия возбуждающего излучения с световым полем экранировалась двухслойным магнитным экраном; лабораторное

магнитное поле компенсировалось внешними катушками Гельмгольца. Остаточное магнитное поле составляло менее 1 мГс. Частота лазера последовательно гястраивалась с помощью широкополосного акусто-оптического модулятора, эаботающего в двухпроходной схеме, на переходы а и /? между сверхтонкими компонентами уровней. При этом стабильный монолитный оптический резсЕ атор использовался в качестве неабсолютного репера частоты с плавной и медленной функцией дрейфа, а искомая разностная частота сравнивалась с частотой первичного пучкового цезиевого стандарта.

Использовалось два метода регистрации, проиллюстрированных на рисунке 4. Измерение в атоме водорода проводилось методом последовательной регистрации спектров. При этом последовательно регистрировалось по несколько лини*, относящихся к одному из переходов а или /?. Дрейф резонатора аппроксимировался линейной функцией на интервале времени 15 минут и искомая разность частот /р — /а определялась из частотного интервала Д/, разделяющего две линейные аппроксимации с одинаковым наклоном, как показано на рисунке 4а.

¥

а)

170 1Н 1(0 3» 210

400.142«

43в,142Л * ' • •

438.1418 4Г

ют.чив ив.имо щяи а б) '' ■ • ..

Рис 4: а) - метод последовательной регистрации спектров. Последовательно регистрируются четыре линии каждого из переходов а и ¡}. Каждая точка соответствует одному спектру, при этом ее положение определяется значением частоты и вре.иени, соответствующим центру линии. Плавный дрейф частоты обусловлен дрейфом длины опорного резонатора, б) - метод одновременной регистрации спектров.

В случае измерений в атоме дейтерия наряду с указанным методом был использован метод одновременной регистрации. В результате усовершенствования системы сканирования частоты удалось реализовать столь быструю перестройку частоты между переходами а и ¡3, что открылась возможность поочередной загаси отдельных точек каждого из спектров таким образом, что спектры оказываются наложенными друг на друга во времени. Временной интервал между центрами линий двухфотонных переходов был сокращен до 5 секунд. Соответственно, были значительно уменьшены погрешности, вносимые аппроксимацией дрейфа резонатора линейной функцией.

Разработанный оптический дифференциальный метод приводит к существен-

ному сокращению вкладов эффекта Доплера вторсго порядка, динамического штарковского сдвига и сдвигов частоты, связанных с асимметрией линии. Также частично сокращается вклад статического сдвига Штарка. В работе был подробно исследован сдвиг частоты сверхтонкого расщепления, вызванный столкновениями с атомами остаточного газа в камере и в пучке. Для этого проводились измерения при различных давлениях остаточного газа (от 3 - 1С1"8 до 1.5 • 10~в мбар) и различных потоках атомов через сопло (от 8 • 1016 до 3 ■ 1018 частиц в секунду). По сравнению с методами радиочастотной спектроскопии метод имеет дополнительное преимуществе, заключающееся в низком знач знии магнитных полей в области возбуждения.

Измерения в атоме водорода проводились в течение 16 дневных сеансов, а в дейтерии - в течение 15 дневных сеансов. После учета вкладов систематических эффектов и погрешностей, были получены следующие значения в водороде £hfs(2S)//1= 177 556 860 ± 16 Гц и дейтерии E$s(2S)/h = 40 924 454 ± 7 Гц с точностью в 2-3 раза превышающей точность методов спектроскопии радиочастотного диапазона [5, 6, 7]. В результате применения независимого оптического метода удалось уточнить значения этих фундаментальных величин и, соответственно, значения разности Цп в нейтральных водородоподобных атома?:.

4вЛ

486

48.0

а)

11.0

эюяршют аяи Боамтя работа]

i

I Tea

ЭМПфЯМИТ ЮТ

m

Рис. 5: Экспериментальные и теоретические значения Д21 в водороде (а) и дейтерии (б). Указаны ссылки на экспериментальные работы по измерению Ецр${23); теоретические значения взяты из работы [4].

Сравнение экспериментальных и теоретических значений для D2i представлено на рис. 5. Значения D21, полученные из результатов данного эксперимента, находятся в хорошем согласии с теоретическим расчетом, выполненным £. рамках квантовой электродинамики (КЭД) и позволяют провести проверку определенных поправок КЭД связанных состояний на уровне Ю-7. Доказана спргшед-ливость поправок к энергии сверхтонкого расщепления, зависящих от главного квантового числа, вида a(Za)2 Ер и a(Za)2 ln(Za) Ер, а также поправок огцачи (Za)2 (те/М) EF, где Ер - энергия Ферми, a Z - заряд ядра.

Третья глава диссертации посвящена измерению абсолютной частоты перехода 15-25 в атоме водорода.

Измерение проводилось с помощью импульсно-периодического титан-сапфирового фемтосекундного лазера с пассивной синхронизацией мод, стабилизированного относительно первичного стандарта частоты. Спектр лазера, представляющий собой набор эквидистантны?: гармоник (продольных мод лазерного резонатора) с частотами /„ = /о + п /гер (оптическую "гребенку") расширялся в фотонно-кристаллическом волокне, что давало возможность измерения частоты отстройки /о. Кале частота повторения /гер, так и частота отстройки /о, однозначно определяющие положение гребенки на оси частот, стабилизировались по фазе относительно сигнала первичного стандарта частоты. В эксперименте частота повторения гребенки составляла /гер = 800 МГц, а частота отстройки /о = 40 МГц.

Для измерения частоты лазера его излучение сбивалось с излучением фем-тосекундной гребенки и измерялась разностная частота (частота биений) с ближайшей модой гребенки. При указанных параметрах гребенки, частота лазера находилась примерно в 35 МГц ог 770 664-й гармоники гребенки. Частота сигнала биения измерялась с помощью счетчика; для записи каждой точки использовался интервал в 1 сек. Использовался ряд критериев для фильтрации измерений, в которых наблюдались "пропущенные" циклы. Для этого проводились независимые контрольные измерения параметров оптической гребенки, контролировалось качество привязки лазера на красителе к опорному резонатору и велось параллельное изме{>ение сигнала биений при различных уровнях срабатывания счетчиков.

В качестве первичных стандартов частоты использовались пучковый коммерческий стандарт НР5071А (Hewlett Packard Inc.) и цезиевый фонтан FOM [16], обладающие абсолютной точностью 5 • Ю-13 и 2 • Ю-15 соответственно. В результате экспериментального сравнения стандартов было показано, что для прецизионного измерения частоты 15-25 в атоме водорода требуется сигнал, синтезируемый фонтаном FOM.

Результат измерения частоты лазера на красителе с А = 486 нм относительно сигнала цезиевого фонтана представлен на рисунке 6а. Плавный дрейф частоты обусловливается дрейфом опорного резонатора лазерной системы. На рисунке 66 представлена зависимость дисперсии Аллана ау от времени усреднения г для указанного ансамбля экспериментальных данных. Стабильность частоты лазерной системы превышает стабильность цезиевого фонтана на временах менее 10 с, а на больших временах аллановское отклонение растет за счет дрейфа частоты лазера. Коррекция дрейфа резонатора полиномом второго порядка позволяет достичь значения ау — Ю-14 для г ~ 300 с.

Для регистрации спектров магнитнонечувствительных переходов (15, F = 1, rriF = ±1) —♦ (25, F' — 1, m'F — тр) в атоме водорода частота лазерной системы пошагово пе]эестраивалась с помощью акусто-оптического модулятора. На область взаимодействия атомов со световым полем было наг

Рис. 6: а) - измерение абсолютной частоты лазера с А = 486 им относительно цезиевого фонтана РОМ. Сплошная линия представляет параболическую подгонку к экспериментальным точкам, б) - исследование стабильности частоты лазерной системы. Квадраты представляют результат обработки данных а) без коррекции дрейфа, а круги - с коррекцией. Прямая линия представляет характеристику стабильности отдельно для фонтана РОМ [16].

ложено магнитное поле напряженностью 5 Гс для расщепления зеемановских компонентов спектра. Одновременно с региеграцией спектров проводились измерения частоты лазера. Было определено, что для оптимального построения абсолютной частотной оси для каждого спектра, необходимо усреднить данные измерений частоты на интервале Trec = 50С1 с, содержащем измерение линии перехода (рис. 6а). При этом неопределенность частотной оси составляла около 20 Гц на несущей частоте 2 466 ТГц.

мощность «прими 243 ни (отав, вд.]

Рис. 7: Экстраполяция динамического штарковского сдвига при абсолютном измерении частоты 15-'25. Каждая точка соответствует результату обработки спектра, зарегистрированному с разрешением во вptмeнu, 7-и параметрической моделью формы линии.

Измерения проводились в течение 12 дневных сеансов. Спектры, зарегистрированные с разрешением по времени, аппроксимировались с помощью модели формы линии, учитывающей процессы возбуждения в пучке и служащей для экстраполяции доплеровского эф4«кта второго порядка на нулевую скорость. Спектры регистрировались при различных значениях интенсивности возбуждающего поля с Ац = 243 нм для экстраполяции динамического штарковского сдвига на нулевую интенсивность. На рисунке 7 представлен результат обработки данных, зарегистрированных в течение одного дневного сеанса.

На рис. 8 представлены результаты обработки данных для каждого из 12 дней измерений и среднее значение. Разброс данных обусловлен нарушением соосности атомного пучка и оси резонатора на 243 нм, что приводит к возбуждению старших мод и неосевой бегут,ей волны и, как следствие, к возникновению нескомпенсированного эффекта Доплера первого порядка. Эффект не приводит к систематическому сдвигу частоты в виду многократных переюстировок системы, что позволяет произвести усреднение данных.

Для определения погрешности, вносимой моделью формы линии, полученные данные анализировались также с помощью модели, использующей другой набор подгоночных параметров, а также модельно-независимым методом. Для этого линии спектров аппроксимировались по отдельности лоренцевскими функциями, после чего результат корректировался на расчетную величину доплеровского сдвига второго порядка. С достоверностью определено, что ошибка, вносимая обработкой данных не щювышает 20 Гц.

Учет погрешностей и вкладов систематических эффектов, таких как столк-новительный сдвиг, статический э4>фект Штарка, излучение черного тела приводит к значению для абсолютной частоты перехода (15, Р = 1, тр = ±1) —» (25, = 1, т'р = тР) в атоме водэрода, равной 2466061102474851 ± 34 Гц.

£6100

§ 5000

I

8 4900

^

| 4800

сч

' 4700

Рис. 8: Результат измерения абсолютной частоты 15-25 в атоме водорода. Указано среднее значение, полученное бео учета весовых коэффициентов.

Для определения частоты пер€хода 15-25 необходимой для вычисления

11!&§1111111 дет

константы Ридберга и лэмбовского сдвига, необходимо учесть поправку на сверхтонкую' структуру уровней 15 и 25. Используя результаты настоящей работы по сверхтонкому расщеплению 25 уровня, было получено значение /15°25к1' = 2466061 413 187078 ± 34 Гц, что соответствует относительной погрешности в 1.4- Ю-14.

В завершающей части главы был проведен детальный анализ процесса возбуждения атома водорода излучением 243 нм с учетом трехфотонной ионизации. Создана численная модель возбуждения атомного пучка в присутствии фотоионизации, которая была учтена в уравнения:*; для элементов матрицы плотности. Форма линии моделировалась методом Монте-Карло для слу;г,Иного ансамбля атомов. Подробно исследованы процессы, влияющие на ширину линии перехода 15-25 (уширение мощностью, неоднородный динамический сдвиг Штарка, ионизационное уширение) и сдвиг ее частоты (динамический эффект Штрака). Из сравнения с экспериментальными по уширению и сдвигу линии, подтверждены расчетные значения матричных элементов двухфотон-ных переходов и сечения фотоионизации уровня 25 в атоме водорода.

В четвертой главе представлен метод определения верхней границы дрейфа постоянной тонкой структуры а из спектроскопических данных.

В главе проведён критический анализ прецизионных экспериментов по поиску возможного дрейфа постоянной тонкой структуры а, выполненных астрэфи-зическими, геологическими и лабораторными методами. Астрофизическ 1 э тесты основываются на анализе оптических спектров астрофизических объектов и позволяют детектировать относительное изменение постоянной тонкой структуры в прошлом Да/а с чувствительностью порядка Ю-6. Учитывая огромный временной интервал вплоть до Ю10 лет, разделяющий моменты испускаяия и детектирования света, можно сделать вывод, что в предположении линейного дрейфа а, чувствительность тестов достигает а/а ~ 10_16/год. При обработке экспериментальных данных делается ряд существенных модельных допущений, касающихся изотопического состава вещества в дапеком прошлом, значзния магнитных полей во Вселенной и др. Данные, полученные астрофизическими методами на этом уровне чувствительности, противоречат друг другу и указывают как на статистически значимое отклонение дрейфа от нулевого значения (напр. [10]), так и на нулевое значение в пределах стандартного отклонени* [11].

В свою очередь, чувствительность к дрейфу а, заявленная в работал где анализируются геологические данные (например, [12]), превосходит чувствительность астрофизических тестов. Как и в астрофизических работах, исследуются значения а в глубоком прошлом (порядка 10® лет), однако необходимость в модельных допущениях повышается. Фиксируются значения констант сильного и слабого взаимодействий, температура земной коры и пр.

Лабораторные методы являются комплементарными к астрофизическим и геологическим методам, поскольку позволяют исследовать наличие дрейфа фундаментальных констант в современную эпоху. Этот тип исследований обладает

высокой чувствительностью к изменениям Да/а вплоть до Ю-15 и позволяет сравнивать результаты, полученные различными методами с независимыми вкладами систематических эффектов.

Р азработанный в работе метод основывается на связи частот переходов различи зго типа в атомных системах и фундаментальных констант. Для оптических переходов их частота может быть представлена как = А Яу где А - некоторая константа, не зависящая от фундаментальных констант, Яу - ридберговская энергия, а функция /^(¿Га) - релятивистская поправка. Релятивистская поправка мала для легких систем (водород) и становится существенной в случае тяжелых атомных систем. В свою очередь, частота г«реходов сверхтонкой структуры может быть представлена как /нге — А' Ну а2 ц„ис\/ив гДе /¿пис1 - магнитный момент ядра атома.

При исследовании относительного дрейфа абсолютной частоты оптического перехода (отнесенной к частоте сверхтонкого перехода в атоме 133Сэ), тестируется следующая комбинация фундаментальных констант:

д_ Ш,

Чувствительность релятивистских поправок к изменениям а вычислена для ряда метрологических переходов в атомных системах (см. напр., [17]).

- 3.64 года -

Икн» 1990-Июль 1000 «мрал.2003 дата

Рис. 9: К определению дрейфа абсолютной частоты перехода 15 -25 е атоме водорода. Сравниваются результаты измерения, выполненные в настоящей работе и результаты измерения 1999 года [18].

Г'ользуясь результатами измерения абсолютной частоты в атоме водорода, выполненными в настоящей работе, можно определить верхнюю границу дрейфа эгой величины (см. рис. 9). Анализ данных приводит к результату —

/н°Ш'> = (-29 ± 57) Гц, что соответствует ограничению: д/дЬЪ =

(3.2 ±6.4) • Ю-16 год-1. Учитывая, что водород является нерелятивистским атомом, .1 чувствительность казимировской релятивистской поправки для 133 Се к

-6 -4 -2 0 2 4 д, -1, Л [ ГВД 1

Рис. 10: Разделение вкладов дрейфов фундаментальных констант. Пунктирьые линии показывают доверительные интервалы для измерений (4), (5). Эллипс сграни-чивает область вероятного ожидания дрейфов в одно стандартное отклонение.

изменениям а составляет Ьа(Сэ) = 1п ^^(Сз) -= 0.8, выражение (2) принимает вид:

у + 2.8х = (3.2 ± 6.4) • Ю-15 год"1, (3)

где введены обозначения а; = д/дИпа, у = д/дЬ 1п {цсв/^в)- Из анализг, выражения (3) можно сделать вывод, что на основе анализа дрейфа абсолютной частоты одного оптического перехода можно наложить ограничение лишь на комбинацию дрейфа постоянной тонкой структуры (х) и приведенного магнитного момента ядра цезия (у), природа которых существенно различна. Поскольку существуют взаимно противоречащие концепции о корреляциях дрейфов фундаментальных констант, в работе был разработан модельно-независимы? метод разделения вкладов фундаментальных констант.

Метод основывается на сравнении дрейфов абсолютных частот оптических переходов в различных системах, обладающих существенно различной чувствительностью релятивистской поправки к изменению а. Например, если вэдород является нерелятивистской системой с Ьа(Н) ~ 0, то для метрологического перехода в ионе ртути 199^+ ¿а(Н§+) ~ —3.2 [13] . Комбинируя результат измерения, полученный в настоящей работе (3) с измерением в ионе ртути, выполненным в Национальном Институте Стандартов и Технологии (МБТ) в США, можно записать систему уравнений:

у + 2.8* = (3.2 ±6.4)-Ю-15 год"1 (Н), (4)

у + бх = (0.2 ± 7) • 10~15 год"1 (5)

Система может быть решена в предположении гауссовского закона распределения данных и независимости измерений. Иллюстрация решения системы

представлена на рисунке 10. Количество независимых экспериментальных данных вида (4), (5), учитываемых в анализе, может быть увеличено; в работе разработан метод определения средних значений и стандартного отклонения для х и у в случае N уравнений указанной структуры.

Из анализа результатов измерений абсолютной частоты 15-25 в атоме водорода, полученных в данной работе и их комбинации с другими оптическими измерениями [13,14], наложено ст]х»гое ограничение на дрейф постоянной тонкой структуры в современную эпоху

д/ШЫа = (-0.3 ± 2.0) • 10~15 год-1. (6)

Кроме того, из анализа тех же данных можно сделать вывод о верхней границе дрейфа магнитного момента ядра цезия

д/дЬ]я

Ца>

=-- (0.6 ± 1.3) • 10 год"1. (7)

С использованием ограничения (6) и результата сравнения частот цезиевого и рубидиевого фонтанов в микроволновом диапазоне [19], выполненного в Бюро Национальной Метрологии (ВКМ), Франция, можно наложить ограничение на дрейф отношения магнитных мэментов цезия-133 и рубидия-87. С привлечением шмидтовской модели, связывающей значения магнитных моментов ядер с магнитными моментами протона и нейтрона, наложено следующее ограничение на з-фактор протона:

д/т 1п др = (-0.05 ± 0.56) • 10"15 год'1.

Результаты, полученные в данной главе, получены модельно-независимым методом и допускают как коррелированные дрейфы констант, так и их независимое изменение во времени. Чувствительность этого теста приближается к чувствительности астрофизических методов в предположении линейного дрейфа и существенно дополняет их, поскольку затрагивает существенно другую временною эпоху.

В пятой главе представлено исследование явления КПН в атоме самария, проведенное с помощью независимых лазерных источников. Описан созданный в настоящей работе бихроматический источник фазово-когерентных полей и представлены исследования явления когерентного пленения населенности (КПН) в атоме рубидия, проведенные с его помощью.

В первой части главы показано, что явление КПН, возникающее под воздействием бихроматического резонансного излучения Е\ сш^^+ф^Щ+Е^ сов^г^-К &(£)] на трехуровневую атомную систему и приводящего к ослаблению поглощения излучения системой, чувствительно к относительной фазе полей бихроматического источника ф\{Ь) — фг(£). Если разностная фаза поддерживается

постоянной, то можно ожидать появление узкого контрастного резонанса даже при значительной нестабильности 01 (¿) и ф>Ц) по отдельности. В предельном случае ширина резонанса будет определяться скоростью дефазировки нижних подуровней трехуровневой системы.

Исследована трехуровневая система с бо/ ыпим расщеплением нижних уровней с помощью независимых нестабилизированных полупроводниковых диодных лазеров с внешними резонаторами. Лазеры с длинами волн 672 нм и 686 нм были настроены на переходы 4/в6«2(7^) — 4/66«6р(9Л) и 4/66-<• 4/66з6р(9^) соответственно в атоме 1548т. Расщепление нижних уровней системы составляло около 10 ТГц. Уровни тонкой структуры основного состояния были подробно исследованы методом спектроскопии насыщенного поглощения. В этой атомной системе впервые были зарегистрированы рсзонансы когерентного пленения населенности. Было подробно изучено влияние столкновений, меняющих скорость, на форму спектров. Определено, что сечение столкновений, определяющее переносы между различными скоростными группами, соответствует геометрическому сечению. Экспериментально зарегистрированная ширина резонанса КПН была равна 2 МГц, что определялось флуктуациями относительной фазы лазеров.

Для стабилизации разностной фазы лазерных источников использованы спектральные особенности излучения импульсно-периодического лазера с пассивной синхронизацией мод. В то время, как каждая отдельная продольная мода обладает значительными фазовыми шумами, фазовые шумы мод гребенки оказываются существенно коррелированными. Был сделан вывод, что излучение двух таких мод обладает характеристиками, необходимыми для исследования явления КПН: величина — в этом случае оказывается постоянной с точностью до дрейфа, вызванного медленным изменением длины резонатора фемтосекундного лазера. Для использования конкретных мод для спектроскопических приложений было предложено стабилизировать внешние одномодо-вые лазерные источники по фазе относительно фаз и частот выделенных мод фемтосекундного лазера.

Принципиальная блок-схема созданного бихроматического источника представлена на рис. 11. В качестве одномодовыс лазеров использовались полупроводниковые лазеры с внешними резонаторами. Лазеры обладают широким диапазоном перестройки частоты излучения и допускают возможность быстрого, вплоть до нескольких мегагерц, управления этой частотой. Излучение каждого из лазеров сбивалось с излучением фемтосекундного лазера и посылалось для фильтрации на дифракционную решетку. Регистрировался сигнал биения излучения каждого полупроводникового лазера и ближайшей моды фемтосекундной гребенки.

Для стабилизации относительной фазы моды гребенки и диодного лазера использовалась цифро-аналоговая схема фазовой автоподстройки частоты, отслеживающая разность фаз сигнала биения я сигнала стабильного генератора и корректирующая частоту лазера таким образом, чтобы обнулить эту разность.

\Ш(V

щп

ФП\

_JJ

шш щр

L-

/ волокно

С_Л_^

'■¡спехтроскстия I

/

Рис. 11: Принципиальная схема бихроматического источника излучения. Два диодных мшера (ДЛ) стабилизированы по фазе относительно различных продольных мод фемпикекундной гребенки с помощью петель обратной связи (ФП). Частота одгю-го из полупроводниковых лазеров перестраивалась с помощью акусто-оптического модулятора (АОМ).

Ширина полосы петли обратной связи составляла около 2 МГц, что оказывается достаточно для компенсации фазовых уходов. Система обратной связи допузгала уход разностной фазы вплоть до ±32 ж, что обеспечивало долговременную стабильность привязки. Иллюстрация схемы стабилизации приведена на рисунке 12а.

Стабильность разностной частоты б ахроматического источника была охарактеризована по исследованию сигнала биений двух полупроводниковых лазеров, стабилизированных по фазе относительно фемтосекундного лазера MIRA-900 ('Coherent') с накачкой второй гармоникой Nd:YAG лазера VERDI-8 ('Coherent'). Разность частот излучения лазерных диодов составляла около 300

Рис. 12: а) - система фазовой стабилизации полупроводникового лазера, б) - спектр сигнс^а биений двух полупроводниковых лазеров, стабилизированных по фазе относительно мод фемтосекундной гребенки.

МГц. Спектр мощности сигнала представлен на рис. 126. Ширина спекгэа, наг ходится на уровне 0.1 Гц и указывает на высокую стабильность разнсстной частоты и корректную работу систем фазовой стабилизации.

В отличие от других методов создания фазово-когерентных полей, таких, как методы модуляции частоты светового поля, указанный бихроматический источник позволяет достигать существенно бблыпих значений разностной частоты о>1 — и>2. Если в случае модуляционных методов, эта величина ограничена десятками гигагерц, то в рассматриваемом случае она ограничена лишь шириной спектра фемтосекундного лазера. Для лазера МША-900 с частотой повторения 75 МГц и длительностью импульса 120 фс этот-диапазон сэстав-ляет около 10 терагерц и может быть расширен с использованием фогонно-кристаплических волокон. Ступенчатая перестройка частоты созданного источника осуществлялась путем привязки диодных лазеров к различным модам фемтосекундного источника, а для плавной перестройка частоты использовался акусто-оптический модулятор в двухпроходной схеме. Для пространственной фильтрации бихроматического излучения использовалось одномодовое оптоволокно, как показано на рис. 11а.

га»

^..... ~

магнитный экран сигнал КПН ^

ф-^Ц-©--^

№

сигнал насыщенного поглощения

40 60

мощность [мкВт]

Рис. 13: а) - спектроскопия резонансов КПН в кювете с парами рубидия с исгллъзо-ванием бихроматического источника (БИ). Предварительная настройка источника осуществлялась по спектроскопии насыщенного поглощения во вспомогательной кювете. б) - зависимость ширины линии резонанса КПН, зарегистрированных < диапазоне Т)1 линии рубидия 795 им от мощности светового поля.

Созданный источник поля был применен для спектроскопии резонансом КПН в атоме рубидия в диапазоне резонансных 01 (795 нм) и (780 нм) линий. Схема эксперимента представлена на рис. 13а. Исследования проводились в кюветах без буферного газа и в кювете с давлением неона 2.5 кПа. Добавление буферного газа в кювету увеличивает время взаимодействия атомов с полем и приводит к сужению резонансов КПН. Исследовались зависимость формь резонансов от давления буферного газа, поляризации лазерного излучения, магнитного поля и интенсивности лазерных полей. Как следует из зависимости, пред-

ставленной на рисунке 136, предельная ширина резонанса, зарегистрированная с помощью фазово-когерентного бихроматического источника составляет около 1 кГц, что соответствует результатам, полученным с помощью модуляционных методов в атомной системе атома рубидия. Результаты, полученные при исследовании явления К ПН в парах рубидия доказали применимость бихроматического источника для проведения ф.^зово-чувствительных измерений в широком спектральном диапазоне. Напримеэ, это открывает возможность исследования трехуровневых систем с большим энергетическим расщеплением нижних уровней.

Существенным достоинством спектроскопии резонансов КПН в атомных системах является возможность регистрации узких резонансов в кюветах и простота переноса их стабильности в диапазон радиочастот в случае использования бихроматического источника на базе фемтосекундного лазера.

В заключении формулируются основные результаты работы:

1. Разработан дифференциальный метод измерения сверхтонкого расщепления метастабильного уровня 25 в водороде и дейтерии. Основными преимуществами метода являются низкие значения магнитных полей в зоне возбуждения (< 1 мГс), существенное подавление основных систематических ошибок н высокая точность.

Экспериментально измерены частоты сверхтонкого расщепления уровня 25 в атомах водорода JSg&(2S)/fc = 177 556 860 ± 16 Гц и дейтерия EjJpS(25)//i = 40 924 454 ± 7 Гц. Точность измерения этих фундаментальных величин повышена в несколько раз по сравнению с результатами, полученными методом радиочастотной спектроскопии.

2. Определены значения разности D21 — 8îJhfs(25) — .Ehfs(15) в атомах водорода и дейтерия. Результат находятся в хорошем согласии с теоретическим расчетом, выполненным в рамках квантовой электродинамики (КЭД) и позволяют провести проверку поправок КЭД связанных состояний на уровне Ю-7. Доказана справедливость поправок к энергии сверхтонкого расщепления, зависящих от главного квантового числа, вида ot(Za)2 Ер и a(Za)2 ln(Za) Ер, а также поправок отдачи (Za)2 (те/Ч) Ер, где Ер - энергия Ферми.

3. Измерена абсолютная частота перехода 15-25 в атоме водорода относительно частоты первичного цезиевого стандарта: fis-vt^ = 2 466 061413187078±34 Гц. Проведен анализ результатов с помощью разработанной модели формы линии и сравнение различных методов обработки данных. Развита модель возбуждения двухфотонного перехода 15-25 в присутствии фотоионизации уровня 25. Определено, что относительный дрейф частоты 15-25 в атоме водорода не превышает (—3.2 ± 6.4) • Ю-15 год-1.

4. Разработан метод определения верхней границы дрейфа фундаментальных констант в современную эпоху на основе прецизионных измерений оптических частот, свободный от каких-либо сильных модельных допущений о взаимосвязи между константами. На оснсвании измерения дрейфа частоты перехода

15-25 в атоме водорода и комбинации с результатами других прецизионных измерений сделан вывод о верхней границэ дрейфа постоянной тонкой структуры, составляющей — (—0.3 ± 2.0) • Ю-15 год-1, магнитного момента ядра цезия, составляющего д( 1п [зсв^] = (0.6± 1.3) • Ю-14 год-1 и ^-фактора прогона: д11п др = (-0.05 ± 0.56) • 10~16 год-1.

5. С помощью независимых лазерных источников с длинами волн 672 нм и 686 нм исследовано явление КПН в системе атома самария с расщеплением нижних уровней порядка 10 ТГц. Предложен и реализован фазово-когерентный источник бихроматического поля на базе фемтосекундного лазера с пассивной синхронизацией мод. Определена степень взаимной когерентности полей. Источник обладает диапазоном перестройки центральной длины волны 7001000 нм, диапазоном перестройки разностной частоты бихроматических компонент 0-10 ТГц, при этом флуктуации разностной фазы компонентов находятся в пределах долей радиана. На примере атомгь рубидия экспериментально показано, что источник бихроматического поля позволяет регистрировать резонансы когерентного пленения населенности (КПН) с шириной вплоть до 1 кГц. Характеристики источника позволяют достичь стабильности частоты повторения фемтосекундного лазера на уровне Ю-10 - Ю-11 за 1 с за счет стабилизации относительно атомного резонанса. Преимуществом созданного источника является возможность исследования явления КПН в атомных системах с большим расщеплением нижних уровней, лежащим как в микроволновом, так и в оптическом диапазонах.

Литература

[1] 1. Beier, P. Indelicato, V.M. Shabaev and V.A. Yerochin, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 36, стр. 1019 (2003).

[2] G.W.F. Drake, Can. J. Phys. 80, стр. 1195 (2002).

[3] M.I. Eides, H. Gotch, and V.A. Shelyuto, Phys. Rep. 342, стр. 63 (2001).

[4] S.G. Karshenboim and V.G. Ivanov, Phys. Lett. В 524, стр. 259 (2002); Euro. Phys. J. D 19, стр. 13 (2002).

[5] J W. Heberle, H.A. Reih, and P. Kusch, Phys. Rev. 101, стр. 612 (1956).

[6] K.E. Rothery and E.A. Hessels, Phys. Rev. A 61, 044501 (2000).

[7] Б.А. Reich, J.W. Heberle, and P. Kusch Phys. Rev. 104, стр. 1585 (1956).

[8] 1. Damour, F. Piazza, G. Veneziano, Phys. Rev. Lett. 89, 081601 (2002).

[9] I.R.. Taylor and G. Veneziano, Phys. Lett. В 213, стр. 450 (1988).

[10] J. К. Webb et al., Phys. Rev. Lett 87, 091301 (2001); Astrophys. Spo,c. Set. 283, стр. 565 (2003).

[11] II Chand, R. Srianaad, P. Petitjean, and B. Aracil, Astronomy and Aitrophysics 417, стр. 853 (2004).

[12] v Fujii, A. Iwamoto, T. Fukahori, T. Ohnuki, M. Nakagawa, H. Hidaka, Y. Oura, and P. Möller, Nuc. Phys. B, 573, стр. 377, (2000).

[13] S. Bize et al., Phys. Rev. Lett. 90, 150802, (2003).

[14] E. Peik et al., Phys. Rev. Lett. 93, 170801 (2004).

[15] ItW.P. Drever, J.L. Hall, F.V. Kowalski, J. Hough, G.M. Ford, A.J. Munley, aid H.Ward, Appl. Phys. В 31, стр. 97 (1983).

[16] S. Bize et al., Europhys. Lett. 45, стр. 558 (1999).

[17] V.A. Dzuba, V.V. Flambaum, and J.K. Webb, Phys. Rev. A 59, стр. 230 (1999). Phys. Rev. Lett. 82, стр. 888 (1999).

[18] M. Niering и др. Phys. Rev. Lett. 84, стр. 5496 (2000).

[19] H. Marion et ed., Phys. Rev. Lett. 90, 150801, (2003).

Основные публикации по материалам диссертации: (i) публикации в реферируемых журнала».

[20] H.H. Колачевский, В.Н. Сорокин, A.A. Папченво, H.A. Киселев, A.B. Акимов, С.И. Канорский, "Изотопические сдвиги и сверхтонкая структура линий 672 им и 686 нм самария", Оптика и Спектроскопия 90(2), стр. 201-206, (2001).

[21] H.H. Колачевский, A.A. Папченко, H.A. Киселев, В.Н. Сорокин, A.B. Акимов, С. И. Канорский, "Резонансы когерентного пленения населенности в парах самария", Квантовая Электроника 31, стр. 61-66, (2001).

[22] М Fischer, N. Kolachevsky, S.G Karshenboiin, T.W. Hänsch, "Optical measurement of the 2S hyperfine interval in atomic hydrogen", Canadian Journal of Physics, 80 (11), 1225-1231, (2002).

[23] A.B. Акимов, A.H. Матвеев, A.B. Соколов, С.И. Канорский, H.H. Колачевский, "Стабилизированный по фемтосекундной гребенке перестраиваемый лазерный источник", Краткие сообщения по физике ФИАН 11, стр. 42-50, (2С03).

[24] Ю.В.Владимирова, Б.А.Гришанин, В.Н.Згдков, H.H.Колачевский, А.В.Акимов, Н.А.Кисилев, С.И.Канорский, "Спектроскопия когв]>ент-ных темных резонансов в многоуровневых атомах на примере г аров самария ЖЭТФ, 123(4), стр. 710-725 (2003).

[25] A.B. Акимов, А.Н. Матвеев, A.B. Соколов, С.И. Канорский, H.H. Колачевский, "Спектроскопия резонансов когерентного пленения населенности с источником излучения на базе фемтосекундногс лазера", Квантовая Электроника 34, стр. 983-990, (2004).

[26] М. Fischer, N. Kolachevsky, М. Zimmermann, R. Holzwarth, Th. Udem, T.W. Hänsch, M. Abgrall, J. Grünert, I. Maksimovich, S. Bize, H. Marion, 7.P.D. Santos, P. Lemonde, G. Santarelli, P. Laurent, A. Clarion, C. Salomon, M. Haas, U.D. Jentschura, C.H. Keitel, "New Limits on the Drift of Fundamental Constants from Laboratory Measurements", Phys. Rev. Lett. 92, 230802 (2004).

[27] N. Kolachevsky, M. Fischer, S.G. Karshenboim, T.W. Hansch, "High-Precision Optical measurement of the 2S Hyperfine Interval in Atomic Hydrogen" Phys. Rev. Lett. 92, 033003 (2004).

[28] A.V. Akimov, A.N. Matveev, A.V. Sokolov, S.I. Kanorsky, N.N. Kolachevksy, V.N. Sorokin, G.Yu. Pakhutin, "Tunable Phase-Coherent Source of the Bichromatic Light Field for the Spectroscopy of Resonances of the Coherent Population Trapping in Rare-Eirth Atoms", Journal of Russian Laser Research 25(3), 252 (2004).

[29] N. Kolachevsky, P. Fendel, S.G. Karshenboim, T.W. Hansch, "2S Hyperfine Structure of Atomic Deuterium" Phys. Rev. A 70, 063503 (2004).

[30] T.W. Hansch, M. Fischer, N Kolachevsky, M. Zimmermann, J. Alnis, R. Holzwarth, and Th. TJdem, "Ullraprecise Atomic Spectroscopy" in: Proceedings of XIX International Conference on Atomic Physics ЮАР 2004, Rio de Janeiro, Brazil, L.G. Marcassa, K. Helmetson, and V.S. Bagnalo, eds., AIP Conf. Proc. 770, p. 71-78 (2004).

[31] H.H. Колачевский, "Лабораторные методы поиска дрейфа постоянной тонкой сруктуры", Успехи физических наук, 174(11), 1171-1190, (2004).

[32] A.V Akimov, A.N. Matveev, A.V. Sokolov, S.I. Kanorsky, N. Kolachevsky, V.N. Sorokin, "Bichromatic spectroscopy of coherent population trapping resonances with phase-locked fields", Journal of Raman Spectroscopy 36, 123-128, (2005).

[33] H.H. Колачевский, "Сверхтм^ кая структура метастабильного уровня в во-дородоподобных атомах", Квантовая Электроника, 35, стр. 207-218, (2005).

[34] Th. Udem, T.W. Hansch, R. Holzwarth, M. Fischer, N. Kolachevsky, M. Zimmermann, "Optical Frequency Measurement", in "Femtosecond Optical Frequency Comb: Principle, Operation and Application", pp. 176-197, Ye, Jun; Cundiff, Steven T. (Eds.) , Springer Berlin (2005).

[35] S.G. Karshenboim, P. Fendel, V.G. Ivanov, N. Kolachevsky, T.W. Hansch, "The 2S hyperfine structure in hydrogen and deuterium: a precision test of bound state quantum electrodynamics ', Canadian J. of Phys. 83, 283-292 (2005).

[36] M. Zimmermann, M. Fischer, N. Kolachevsky, R. Holzwarth, T. Udem, T.W. Hansch, M. Abgrall, J. Griinert, I. Maksimovic, S. Bize, H. Marion, F. Pereira Dos Santos, P. Lemonde, G. Santarelli, P. Laurent, A. Clairon, C. Salomon, "High-Resolution Laser Spectroscopy and Time Variation of Fundamental Constants", Laser Physics 15, No. 7, pp. 1-13, (2005).

(ii) публикации в материалах конференций

[37] N.N. Kolachevsky, A.A. Papchenko, V.N. ¡Sorokin, A.V. Akimov, S.I. Kanorsky, "Bichromatic spectroscopy and coherent population trapping in Samarium", XVII International Conference on Atomic Physics, Florence, June 4-9 2000.

[38] A.V. Akimov, N. Kolachevsky, V.N. Sorokin, N.A. Kiselev, S.I. Kanorsky, "Dark state resonances in Sm vapour in the presence of velocity changing collisions", XVII International Conference on Coherent and Nonlinear Optics ICON О 2001, Minsk, Belarus, 26 June - 1 July 2001.

[39] С.И. Канорский, H.H. Колачевский, B.H. Сорокин, A.B. Акимов, H.A. Киселев, "Перспективы применения резошшсов когерентного пленения населенности в метрологии. Роль столкновений с изменением скорости", XXII Съезд по спектроскопии, Звенигород, 8 -12 октября 2001.

[40] N. Kolachevsky, М. Fischer, С. Niessl, 13. Karshenboim, and T.W. Hansch, Conference of the German Physical Society (DPG PrUhjahrstagung OsnabrUck, 4-8 March 2002), Book of abstracts, p.52. M. Fischer et al. , там же, стр. 125.

[41] M. Fischer, N. Kolachevsky, S. G. Karshenboim, T. W. Haensch, "Precision Spectroscopy of the 1S-2S Transition in Atomic Hydrogen", International conference on Precision Physics of Simple Atomic Systems, St. Petersburg, 30 June - 4 July, 2002.

[42] A.V. Akimov, V.N. Sorokin, S.I. Kanorsky, N. Kolachevsky," Л-resonance in the presence of velocity changing collisions", IQEC/LAT 2002 Conf., p.64. Москва, 22 - 27 июня 2002.

[43] N. Kolachevsky, M. Fischer, S. Karshenboim, T.W. Hansch, 'Precision Differential Optical Measurement of the 2S Hyperfine Interval in Atomic Hydrogen ", 35th EGAS Conference, Brussels, 15-18 July 2003.

[44] N. Kolachevsky, M. Fischer, M. Zimmennann, T. Udem, T.W. Hansch "New Absolute Frequency Measurement of the IS - 2S Transition in Atomic Hydrogen: Preliminary Results ", 35th EGAS Conference, Brussels, 15-18 July 2003.

[45] N. Kolachevsky, M. Fischer, S.G. Karshenboim and T.W. Hansch, Conf. of the German Physical Society DPG Frvhjahrstagung Hannover, 24-28 March 2003.

[46] A.V. Akimov, A N Matveev, A V Sokolov, S I Kanorsky, V.N. Sorokin, N.N. Kolachevsky, "Raman spectroscopy with femtosecond frequency comb", 8th European Conference on Atomic and Molecular Physics, Rennes, France 6-10 July 2004.

[47] N. Kolachevsky, M. Fischer, M. Zimmermann, R. Holzwarth, Th. Udem, T.W. Hänsch, M. Abgrall, J. Grunert, I. Maksimovic, S. Bize , H. Marion, F. Pereira Dos Santos, P. Lemoncle, G. Santarelli, P. Laurent, A. Clairon, C. Salomon, 'Hi-presision frequency measuremnents and search for drift of fundamental

constants", 8th European Conference on Atomic and Molecular Physics, Rennes, Ranee 6-10 July 2004.

[48] V. Kolachevsky, M. Fischer , P. Fendel, S.G. Karshenboim, T.W.Hänsch, "2S hyperfine structure in hydrogen and deuterium atoms", 8th European Conference on Atomic and Molecular Physics, Rennes, France 6-10 July 2004.

[49] M. Fischer, N. Kolachevsky, M. Zimmermann, R. Holzwarth, Th. Udem, T.W. Hänsch, M. Abgrall, J. Grunert, I. Maksimovic, S. Bize, H. Marion, F. Pereira Dos Santos, P. Lemonde, G. Santarelli, P. Laurent, A. Clairon, C. Salomon, "Hydrogen spectroscopy and the limits on the drift of fundamental constants", XIX International Conference on Atomic Physics, Rio de Janeiro, Brazil, 25-30 ally, 2004.

[50] S.G. Karshenboim, N. Kolachevsky, P. Fendel, V.G. Ivanov, T.W. Hänsch, "2s Hyperfine Structure in Hydrogen and Deuterium: a precision test of QED", Hydrogen Atom III - International Conference on Precision Physics of Simple A tomic Systems, Rio de Janeiro, Brazil, 01-03 August 2004.

[51] W. Akimov, A.N. Matveev, A.V. Sokolov, S.I. Kanorsky, V.N. Sorokin, Ii N. Kolachevsky "Bichromatic Spectroscopy of Coherent Population Trapping Iteonances with Phase-locked Fields", European Conference on Non-linear Ootical Spectroscopy (ECONOS 2004), Erlangen, Germany, April 4-6 2004.

[52] ^.V.Akimov, N. Kolachevsky, A.V.Sokolov, A.N.Matveev, S.I.Kanorski, V N.Sorokin, "Coherent bichromatic spectroscopy with phase-locked lasers", ICONO/LAT, St. Petersburg , May 11-15 2005.

[53] Is). Kolachevsky, M.Fischer, M.Zimmermann, R.Holzwarth, Th.Udem, T W.Hänsch, "Absolute measurements of optical frequencies and new limit for a drift of the fine structure constant", ICONO/LAT, St. Petersburg, May 11-15, 2C05.

[54] IV. Kolachevsky, M. Fischer, M. Zimmermann, R. Holzwarth, Th. Udem and T. W. Hänsch, "Absolute measurements of optical frequencies ajad new limit for a drift of the fine structure constant", 17th International Conference on Laser Spectroscopy, Cairngorms National Park, Scotland, 19-24 June 2005.

[55] N.N. Kolachevsky, M. Haas, M. Herrmann, U.D. Jentschura, M. Fischer, Th. Udem, C. Keitel, and T.W. Hänsch, "Two-photon excitation of the IS - 2S transition in atomic hydrogen in presence of the photo ionization", 37th EGAS Conference, Dublin, 3-6 August 2005.

»23 4 1 О

РНБ Русский фонд

2006-4 27693

Подписано в печать -Н^.НО 2005 г. Формат 60x84/16. Заказ № 40Ч.Тираж ■юоэкз. П.л. -*,Ч- У

Отпечатано в РИИС ФИАНс оригинал-макета заказчика. 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 132 5128

Введение

1 Двухфотонная спектроскопия перехода 15

1.1 Двухфотонная спектроскопия атома водорода

1.1.1 Двухфотонное возбуждение перехода 15

1.1.2 Трёхфотонная ионизация.

1.1.3 Статический эффект Штарка.

1.1.4 Доплеровский эффект второго порядка и эффект отдачи.

1.2 Лазерная система.

1.2.1 Лазер на красителе.

1.2.2 Резонатор из материала ULE.

1.2.3 Стабилизация частоты лазера на красителе.

1.2.4 Дрейф резонатора ULE.

1.2.5 Спектральная ширина линии лазера.

1.3 Водородный спектрометр.

1.3.1 Регистрация спектров поглощения перехода 15

1.3.2 Разрешающая способность спектрометра.

1.4 Основные результаты первой главы.

2 EHFs(2S) в атомах водорода и дейтерия

2.1 Сверхтонкая структура и D

2.1.1 Поправки к энергии сверхтонкого взаимодействия

2.1.2 Величина D21.

2.1.3 Сверхтонкое расщепление и D21 в водородоподобных атомах: эксперимент и теория.

2.2 Измерение £hfs(25) в атоме водорода.

2.2.1 Зеемановский спектр двухфотонного перехода 1525 в атоме водорода.

2.2.2 Наблюдение расщепления в магнитном поле.

2.2.3 Вакуумная часть эксперимента.

2.2.4 Измерение спектров синглетного и триплетного ь переходов.

2.2.5 Систематические эффекты.

2.2.6 Ehfs(2S) в атоме водорода: анализ результатов

2.3 Измерение EnFS(2S) в атоме дейтерия.

2.3.1 Эффект Зеемана в атоме дейтерия.

2.3.2 Экспериментальная часть и результаты

2.3.3 Анализ результатов.

2.4 D21 в водороде и дейтерии.

2.5 Основные результаты второй главы.

3 Измерение абсолютной частоты перехода IS — 2S

3.1 Измерение абсолютной частоты лазера на 486 нм.

3.1.1 Фильтрация данных.

3.1.2 Сравнение первичных стандартов частоты.

3.1.3 Определение оси частот в измерениях

3.2 Анализ результатов измерения абсолютной частоты перехода 1S-2S.

3.2.1 Подгонка спектров с помощью модели формы линии

3.2.2 Экстраполяция динамического сдвига Штарка

3.2.3 Модифицированная модель формы линии и учет весовых коэффициентов.

3.2.4 Сравнение методов обработки данных. ф 3.2.5 Модельно-независимая обработка данных.

3.3 Абсолютная частота перехода 1S-2S в атоме водорода

3.3.1 Абсолютная частота перехода (1S, F = 1, mF = ±1) —> (25, F' = 1, т'р = mF).

3.3.2 Абсолютная частота центроида перехода IS-2S

3.3.3 Лэмбовский сдвиг и константа Ридберга.

3.4 Ионизация метастабильного атома водорода излучением 243 нм.

3.4.1 Уширение спектральных линий перехода 1S-2S

3.4.2 Модель в присутствии трехфотонной ионизации

3.4.3 Моделирование возбуждения в пучке.

3.4.4 Сравнение с экспериментальными значениями.

3.5 Основные результаты третьей главы.

4 Измерение абсолютной частоты в атоме водорода и ограничение на дрейф постоянной тонкой структуры

4.1 Сводка основных результатов по дрейфу постоянной тонкой структуры а из геологических и астрофизических данных

4.1.1 Реактор Окло

4.1.2 Астрофизические исследования.

4.2 Лабораторные эксперименты микроволнового диапазона . .131 ы 4.2.1 Тонкая и сверхтонкая структура.

4.2.2 Сводка экспериментальных результатов.

4.3 Дрейф констант и оптические переходы.

4.3.1 Релятивистские поправки.

4.3.2 Оценка дрейфа абсолютной частоты перехода

15, F = 1, mF = ±1) (25, F' = 1, m'F = mF) в атоме водорода.

4.3.3 Измерения эталонных частот переходов в ионах Hg+ и Yb+.

4.3.4 Разделение вкладов взаимодействий различных типов

4.4 Сопоставление результатов по поиску дрейфа а.

4.5 Основные результаты четвертой главы.

5 Бихроматическая спектроскопия атома рубидия

5.1 Резонансы КПН.

5.2 Исследование явления КПН в парах рубидия с помощью би-хроматического источника.

5.2.1 Источник лазерного поля для спектроскопии резо-нансов КПН

5.2.2 Исследование явления КПН в парах рубидия.

5.2.3 Высокочастотные резонансы КПН.

5.3 Основные результаты пятой главы

Прогресс физики XX века в целом, а в особенности таких её направлений, как атомная физика и спектроскопия, квантовая физика и квантовая электродинамика, во многом обязан экспериментам, выполненным на атоме водорода. Постоянно возраставшая точность проводимых спектроскопических исследований позволила пронаблюдать и исследовать новые эффекты, для интерпретации которых потребовались революционные изменения в представлении о природе процессов, происходящих в атоме.

Первое наблюдение спектральных линий водорода относится, по-видимому, к 1802-1815 годам, когда английский физик В. Волластон, а затем независимо от него немецкий ученый И. Фраунгофер обнаружили в спектре излучения Солнца линии, называемые ныне "фраунгоферовыми линиями". 1 В 1821 году французский учёный А. Массой выдвинул предположение, что линии относятся к излучению водорода, находящегося на Солнце. Только через несколько десятилетий после данного наблюдения, в 1859 г. Р. Бунзен и Г. Кирхгофф установили, что свет, испущенный атомом, может излучаться и поглощаться лишь в определенных узких участках спектра (линиях), причём каждый элемент обладает характерной последовательностью спектральных линий. Было установлено, что в видимой части спектра находятся три линии атомарного водорода с длинами волн 656 нм, 486 нм и 434 нм, которые в настоящее время известны, как три первые линии серии Бальмера #ад7. В 1885 году И. Бальмеру удалось систематизировать наблюдения и связать частоты линий излучения атомарного водорода эмпирической формулой, которая спустя четыре года была обобщена С. Ридбергом. Формула позволяла вычислять частоты (или длины волн) линий водорода как разницу двух членов, которые могли быть в свою очередь интерпретированы как энергии неких дискретных уровней в атоме:

1 = За)' (1)

Ап>п' 4 п2 п'2' где пип'- целые числа (п' > п), а - эмпирическая константа. Представление о наличии дискретных уровней энергии в атоме противоречило

Исторический материал, приводимый во Введении, почерпнут из книги [1]. принятой в то время резерфордовской модели атома. Кроме того, модель Резерфорда, рассматривавшая движение электрона по орбите в рамках представлений ньютоновской физики, не давала объяснения существованию стабильных атомных систем и не позволяла объяснить наблюдаемых экспериментальных результатов. В 1913 году Н. Бор сформулировал два постулата, заложенных в основу его модели атома: (i) электрон в атоме движется по классическим, но дискретным траекториям, определяемым т.н. энергетическими уровнями атома и (и) движение по этим траекториям осуществляется без излучения энергии. Модель позволила объяснить формулу Ридберга (1) и выразить ридберговскую константу2 через массу те и заряд е электрона, постоянную Планка h и скорость света с : тее4

R°° = л 1з > (2)

47Г h С однако вопрос, почему движение электрона по орбитам должно быть безыз-лучательным, оставался нерешённым.

Формулировка принципов квантовой механики Э. Шредингером и В. Гейзенбергом в 1926 году открыла путь к решению этой проблемы. Понятие о корпускулярно-волновом дуализме, волновой функции и стационарных состояниях изменило представление о движении электрона в атоме и о процессах излучения энергии. Согласно уравнению Шрединге-ра, энергия уровней атома водорода меняется обратно пропорционально квадрату квантового числа п при том, что наинизший уровень с п = 1 (основное состояние) имеет энергию связи около —13.6 эВ. Квантовая механика позволила интерпретировать экспериментальный спектр водорода, однако некоторые наблюдавшиеся особенности спектра тем не менее выходили за рамки этой революционной теории.

В 1887 году А. Майкельсон и Морли с помощью изобретенного Май-кельсоном интерферометра обнаружили, что наиболее сильная из видимых линий спектра водорода, соответствующая переходу п = 2 — п' = 3 (На, Л = 656.3 нм), оказывается расщепленной на две компоненты. Уравнение Шредингера не позволяло объяснить подобное расщепление. Наличие расщепления, или т.н. "тонкой структуры", а также опыты О. Штерна и В. Герлаха, которые обнаружили в 1922 году расщепление пучка атомов водорода в неоднородном магнитном поле, позволили двум голландским физикам Дж. Уленбеку и С. Гаудсмиту выдвинуть смелую гипотезу. Гипотеза, появление которой датируется 1925 г., приписывала электрону собственный момент количества движения 8, создающий соответствующий магнитный момент, который впоследствии был назван спином. В 1928 году П. Дирак сформулировал принципы релятивистской квантовой механики, которые позволили интерпретировать тонкую структуру атома водорода

2В гауссовской системе единиц как результат взаимодействия спина электрона в и его орбитального момента I. Появление тонкой структуры в спектре водорода возникает из-за снятия вырождения по полному моменту электрона j} представляющему собой сумму моментов з и I. Кроме того, из дираковской модели следовало существование античастицы, полностью идентичной электрону, но обладающей противоположным зарядом.

Появление новых экспериментальных методов и повышение точности измерений через некоторое время снова вывело спектроскопические результаты, полученные на атоме водорода, на качественно новый уровень, не укладывавшийся в рамки дираковской модели. В 1947 году У. Лэмб и Р. Резерфорд методами радиочастотной спектроскопии обнаружили, что энергии возбужденных состояний 261/2 и 2Р1у/2 слегка различны, несмотря на то, что оба эти состояния обладают одинаковым полным моментом $ = 1/2. Сдвиг уровня, лежащий в основе наблюдаемого расщепления, получил название "лэмбовского сдвига".

В 1946-48 гг. Ю. Швингер, Р. Фейнман и С. Томонага построили фундамент современной теории квантовой электродинамики (КЭД), которая позволила с большой точностью вычислять все процессы электромагнитного взаимодействия электронов и фотонов. КЭД дала исчерпывающее объяснение природы лэмбовского сдвига, основной физической причиной которого являются квантовые флуктуации электромагнитных и электронно-позитронных полей вакуума, меняющие потенциальную энергию V (г) = —Ее2/г взаимодействия электрона с ядром (^е - заряд ядра, г - расстояние от ядра).

Взаимодействие орбитального момента электрона j с электрическим и магнитным моментами ядра также приводит к расщеплению уровней атома. Данное расщепление, называемое "сверхтонким", является для атома водорода самым слабым из вышеперечисленных. В одноэлектронных атомах каждый энергетический уровень расщепляется на два, которые отличаются проекциями ядерного спина на вектор полного момента электронной оболочки Структура уровней атома водорода сп = 1ип = 2в представлении различных теорий изображена на рис. 1, наглядно демон-стрирущем переход от одной модели атома к другой. Поправки КЭД к дираковской модели и сверхтонкая структура отображают энергетические уровни атома водорода в том виде, в котором они известны современной физике.

Поскольку атом водорода является атомной системой, характеристики которой в большой степени поддаются точным расчетам, он играет огромную роль при проверке достоверности и полноты различных физических моделей. Явившись в свое время важным экспериментальным объектом в построении современной физики, в настоящее время атом водорода играет не менее важную роль при определении фундаментальных констант и других фундаментальных величин.

Е [эВ] О

-3.4

-13.6

Бор Дирак КЭД СтруктураЯ

SS///////S///S///S///////////S/// п = 2

7 = 3/2

1=0 f= 1 j = 1/2 1 f= о n = 1

-С

2S

1/2

243 нм 243 нм

1S j= 1/2

F=0

1/2

Рис. 1: Уровни энергии атома водорода с п = 1 и 2 в представлении воровской модели атома (Бор), релятивистской теории Дирака (Дирак), и теории квантовой электродинамики (КЭД) (не в масштабе). В правой части рисунка представлена сверхтонкая структура уровней. Схематически изображён двухфотонный переход на метастабильный уровень 25, обладающий длительным временем жизни, равным около ЦО мс.

Постоянная Ридберга (2), являющаяся универсальным масштабирующим фактором энергии связи в атоме, определяется методами лазерной спектроскопии атома водорода в комбинации с расчетами КЭД. Благодаря возросшей точности вычислений КЭД и высокой степени доверия к её методам вычисления, расчёты КЭД в настоящее время входят в определение многих фундаментальных величин, например, постоянной тонкой структуры а = e2/hc (см., например, [2]). Так, из результатов прецизионного измерения ^-фактора связанного электрона в ионе

С5+ и расчётов КЭД может быть определено отношение масс электрона и протона [л = те1тр

3], что в 4 раза превосходит по точности экспериментальный результат

4]. Наиболее точное значение для постоянной тонкой структуры а также получено из обработки экспериментов на ионе С5+ с помощью аппарата КЭД [5].

Новым толчком к дальнейшему развитию методов КЭД послужило появление квантовой хромодинамики (КХД) - современной теории, описывающей сильные взаимодействия. Теории КЭД для связанных состояний и КХД оказались тесно взаимосвязаны и новые результаты, получаемые в одном из теоретических направлений, зачастую имеют близкие аналоги в другом из них. В качестве примера можно привести исследования позитрония и тяжёлого кваркония. Атомные системы являются удобным лабораторным объектом для проведения тестов физики связанных состояний, результаты которых играют важную роль как для понимания процессов, происходящих в атоме, так и в ядре. Атом водорода за счёт своей относительной простоты и стабильности является прекрасным объектом для проведения тестов КЭД связанных состояний.

Прецизионные расчёты энергий уровней, выполненные с использованием КЭД связанных состояний, сталкиваются с проблемой неопределенности распределения заряда в ядре. Ошибка, вносимая этой величиной в расчёт, делает нецелесообразным учёт поправок КЭД и соответствующих им физических процессов начиная с некоторой степени малости. Для проведения тестов "чистой" КЭД предпочтительно исследование лептонных систем (позитрония е~е+ и мюония е~/х+), проведение экспериментов в которых, однако, затруднено ввиду их короткого времени жизни. Кроме того, существует возможность проведения расчетов специфических разностей энергий, позволяющих устранить основной вклад адронных эффектов и тестировать непосредственно вклады, описываемые в рамках КЭД.

Одной из целей данной работы является прецизионное измерение сверхтонкого расщепления уровня 25 в атоме водорода и дейтерия, требуемое для определения разности Дц:

П21 = 8£Нрз(25) - ^(15), (3) где .Едав (25) и £'нгз(1'5) - величины сверхтонкого расщепления уровней 25 и 15 соответственно. В отличие от непосредственных расчетов ,Енрз(25) и .Енрз(15), которые на несколько порядков величины менее точны, чем экспериментальные данные, расчет Да опережает по точности эксперимент за счет сокращения эффектов, связанных с конечными размерами ядра (см. работу [6] и ссылки в ней). Для сопоставления теоретического и экспериментального значений Д21 и проверки поправок КЭД высоких порядков требуются прецизионные методы измерения расщепления возбужденного состояния .Ёнрз(25), поскольку ошибка, вносимая величиной -Енрз^З1) в £>21 оказывается пренебрежимо малой.

В настоящей работе разработан и реализован новый дифференциальный оптический метод прецизионной спектроскопии уровня 25 в водоро-доподобных атомах, обладающий относительной точностью, в несколько раз превышающей точность радиочастотных методов [7, 8, 9]. В работе получено новое значение для сверхтонкого расщепления уровня 25 в атоме водорода с рекордной точностью.

Впервые двухфотонное возбуждение атома водорода в 25 состояние было осуществлено Т. Хэншем [10] с помощью импульсного лазерного источника. За этим экспериментом последовала серия работ с использованием непрерывного лазера и газовой ячейки, а затем холодного атомного пучка, проведённая в Германии под руководством Т. Хэнша. В 1999 г. была достигнута точность в определении абсолютной частоты перехода 15-25 в 1.8 ■ Ю-14 [11]. Наряду с этим в Париже под руководством Ф. Бирабена велись работы по возбуждению атома водорода на другие уровни (15-35, 2S-8D и др.) [12]. В настоящее время точность определения константы Ридберга определяется в основном ошибкой парижского измерения, что связано с большой естественной шириной уровня 8D и его чувствительностью к возмущениям. Несмотря на то, что экспериментальная ошибка в измерении частоты 15-25 не является в данный момент ограничивающим фактором в определении R^, необходимо проведение дополнительных экспериментов по измерению абсолютной частоты уровня 15* — 25 для выявления возможных систематических эффектов, дающих вклад в результат измерения. Водородный спектрометр в г. Гархинге (Германия) [13] является уникальной установкой, на которой возможно проведение экспериментов по прецизионному определению частоты перехода 15* — 25.

На рис. 2 представлен прогресс точности спектроскопических измерений, выполненных в атоме водорода в течение последних 10 лет. Данные относятся к эпохе бурного развития методов измерения абсолютных частот оптических переходов, кульминировавшей в 1999 г. появлением "оптической гребёнки" на базе импульсно-периодического фемтосекундного лазера с пассивной синхронизацией мод, что позволило фазово-когерентно связать диапазоны оптических и радиочастот [14]. С появлением этого метода существенно повысилась точность определения абсолютных частот атомных переходов, лежащих в оптическом диапазоне и открылись реальные возможности применения высокодобротных резонансов оптического диапазона для создания вторичных стандартов частоты.

Техника оптической гребенки позволяет не только проводить прецизионные измерения оптических частот, но и использовать фазово-когерентные свойства мод гребенки в различных важных спектроскопических прило

-О

Ь 11 § юИ1 т

1 ю-,! X i ю-13 S о

Е Ю о

1990 1995 2000 год

Рис. 2: Прогресс относительной точности спектроскопических измерений в атоме водорода. Крестиком отмечено измерение 2003 г., выполненное в этой работе. жениях, где требуется высокая степень взаимной когерентности полей, обладающих различными частотами. Создание таких специфических полей требуется, например, для прецизионного исследования явления когерентного пленения населенностей (КПН) в трехуровневых атомных системах, где параметры резонанса оказываются чувствительны к взаимной фазе полей. До настоящего времени, диапазон разностных частот фазово-когерентных полей был ограничен микроволновым диапазоном, где могут быть эффективно использованы методы фазово-частотной модуляции и генерации боковых частот.

В рамках работы по прецизионной спектроскопии паров щелочных и щелочноземельных атомов, выполняющейся автором в Физическом Институте им. П.Н. Лебедева РАН, был создан новый бихроматический источник фазово-когерентных лазерных полей на базе импульсно-периоди-ческого фемтосекундного лазера. Фемтосекундный лазер использовался в качестве опорного источника, относительно которого стабилизировались полупроводниковые лазеры с использованием методов фазовой стабилизации. Разностная частота такого источника оказывается ограничена шириной спектра фемтосекундного лазера (насколько терагерц) и может быть расширена до оптического диапазона с использованием фотонных кристаллов. Характеристики этого источника и его пригодность для исследования явления КПН были подробно исследованы на примере системы атома рубидия.

Разработанный в рамках этой работы подход открывает возможность для фазово-когерентного исследования высокодобротных резонансов КПН, лежащих в области 10-100 ТГц. Высокая потенциальная добротность резонансов КПН в щелочноземельных атомах открывает возможность для создания на их основе стабильных реперов частоты.

Рост точности оптических измерений позволяет не только обновить результаты и следствия уже известных теорий, но и проводить совершенно новые тонкие тесты, затрагивающие широкий круг фундаментальных проблем. Так, теория КЭД, описывающая на квантовом языке электромагнитные взаимодействия, до настоящего момента не столкнулась ни с какими внутренними противоречиями и точно описывает круг явлений, определяющихся этим типом взаимодействий. Теория электрослабых взаимодействий рассматривает электромагнитные и слабые взаимодействия как два аспекта единого типа взаимодействий. В свою очередь, сильные взаимодействия достаточно точно описываются теорией КХД. Эти теории в принципе допускают объединение (например, в рамках Суперсимметричной модели или Теории Великого Объединения) и оперируют набором фиксированных параметров - т.н. фундаментальных констант, которые не могут быть вычислены в рамках этих теорий. Теории опираются на принцип эквивалентности Эйнштейна, запрещающий изменение этих фундаментальных параметров.

С другой стороны, попытки построить теории, позволяющие объединить вышеперечисленные типы взаимодействий (электромагнитное, слабое и сильное) с гравитационным, оказываются не столь успешными. Дело в том, что до сих пор не удалось проквантовать гравитационное поле в обычном четырехмерном пространстве, без чего объединение становится невозможным. Были предложены теории, оперирующие в многомерном пространстве и, в принципе, допускающие совместное описание четырёх известных типов взаимодействий (см., например, обзор [15]). К ним относятся теории Калуца-Кляйна (Ка1ига-К1ет) в пятимерном пространстве, а также теории струн и суперструн в одиннадцатимерном пространстве. Дополнительные размерности компактифицированы, и их масштаб определяется планковской длиной = >/СТь/с3 ~ 1.5 ■ Ю-35 м, что намного порядков меньше любого физического размера, представленного в обычном пространстве. Для проверки этих гипотез чувствительность гравитационных тестов оказывается недостаточной. Так, проверка постулатов общей теории относительности в экспериментах по измерению гравитационного красного смещения на сегодняшний день достигла точности 10~3 [16].

В представлении теорий объединения, фундаментальные константы и константы связи нашего четырехмерного пространства, являются проекциями констант многомерного мира. Теория струн допускает, что масштаб многомерного пространства может изменяться, например, по причине расширения Вселенной, и как следствие допускается измерение значений проекций наблюдаемых констант в четырехмерном пространстве. В теории струн допускается дрейф постоянной тонкой структуры а на уровне а/а ~ (Ю-16 Ч- Ю-18) год"1 [17, 18].

Поскольку значения фундаментальных констант являются экспериментально определяемыми величинами и не могут быть вычислены (по крайней мере в рамках той теории, где они являются фундаментальными), то же самое можно отнести и к исследованию их дрейфов. Современные чувствительные тесты наличия дрейфов констант являются важным направлением фундаментальных исследований, открывающим возможность судить о применимости тех или иных основополагающих теоретических постулатов и моделей. По степени важности это направление стоит на одном уровне с работами по поиску электрического дипольного момента частиц, поиску нарушений Т-инвариантности и тестов принципа эквивалентности Эйнштейна.

Целью данной работы явилось проведение измерения абсолютной частоты перехода 15-25 в атоме водорода для определения возможного изменения постоянной тонкой структуры а во времени на уровне Ю-15 в год. Этот уровень точности интересен тем, что некоторые современные космологические исследования красного сдвига указывают на возможный дрейф постоянной тонкой структуры а также на уровне а/а ~ Ю-15 в год см., например, [19]).

В данной работе предложен новый метод, позволяющий делать модельно-независимые оценки дрейфа фундаментальных констант разной природы по отдельности без каких-либо допущений об их возможных корреляциях и сделан вывод о верхней границе дрейфа постоянной тонкой структуры в современную эпоху. Метод основывается на сравнении независимых измерений абсолютных оптических частот в водороде, выполненных, в частности, в настоящей работе с измерением частот в других атомных системах.

Спектроскопия перехода 1S-2S в атоме водорода сыграла значительную роль в решении ряда фундаментальных задач современной физики. Часть этих задач уже решена с исключительно высокой точностью и для получения новых результатов требуется существенный прогресс других областей физики. К таким вопросам относится измерение изотопического сдвига в дейтерии и определение структурного радиуса дейтрона rstruc [20], а также определение константы Ридберга и лэмбовского сдвига [11, 21]. Проводится подготовка к ряду прецизионных экспериментов, целью которых является увеличение точности определения других переходов в атоме водорода и, по возможности, приближение её к точности, демонстрируемой в настоящей работе. К ним относятся готовящийся эксперимент в Париже по определению частоты перехода 1S-3S [22], а также эксперимент по спектроскопии в бозе-конденсированном водороде, подготавливаемый группой Д. Клеппнера в Массачусетском технологическом институте [23, 24]. Комбинация этих данных с данными, полученными в рамках этой работы приведёт к увеличению точности определения Д» и лэмбовского сдвига, и, как следствие, ряда других фундаментальных величин. В институте Пауля Шерера (Paul-Sherer Institut, Швейцария) ведётся подготовка к экспериментам по измерению сверхтонкого расщепления в мюонном водороде (р+ц~), которые позволят существенно уточнить зарядовый радиус протона и повысить точность расчета энергетических уровней в атоме водорода (см., например, [25, 26]).

Чрезвычайно интересным с точки зрения фундаментальной физики является сравнение спектров водорода и антиводорода (р~е+), которое, возможно, даст ключ к решению вопроса о справедливости СРТ теоремы на принципиально новом уровне точности [27]. В последние годы эта область быстро прогрессирует: на антипротонном замедлителе в ЦЕРНе в 2002 г. сразу двумя группами ATHENA и ATRAP был синтезирован и зарегистрирован холодный антиводород [28, 29].

Ниже сформулированы основные научные задачи, решаемые в рамках данной диссертационной работы:

• Создание системы стабилизации лазера на красителе на длину волны 486 нм. Система стабилизации должна обеспечивать дрейф частоты лазерной системы не более 1 Гц/с при ширине спектра излучения на уровне 100 Гц.

• Разработка оптического метода измерения сверхтонкого расщепления уровня 2Б в атомарном водороде в слабых магнитных полях (менее 1 мГс).

• Прецизионное измерение частоты сверхтонкого расщепления уровня 25 в атоме водорода относительно частоты пучкового цезиевого стандарта, анализ данных с учетом систематических эффектов.

• Измерение частоты сверхтонкого расщепления уровня 25 в атоме дейтерия, разработка метода экспериментального анализа столкно-вительного сдвига этой частоты.

• Измерение абсолютной частоты перехода 15-25 в атоме водорода относительно частоты цезиевого фонтана.

• Разработка теоретической модели двухфотонного возбуждения атома водорода в пучке, создание модели формы линии и сравнение различных методов обработки данных.

• Анализ прецизионных спектроскопических данных с целью определения верхней границы дрейфа постоянной тонкой структуры и других фундаментальных констант в современную эпоху без привлечения сильных модельных допущений.

• Создание широкополосного фазово-когерентного бихроматического источника лазерного поля на базе фемтосекундного лазера для прецизионного исследования явления когерентного пленения населенности. Детальное исследование свойств источника и спектроскопические исследования атома рубидия с его помощью.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка литературы.

Результаты работы докладывались на серии семинаров в российских и зарубежных институтах и университетах. По теме работы опубликовано более 37 научных работ (из них 17 публикаций в российских и иностранных научных журналах и 20 работ в материалах конференций, ссылки представлены на стр. 228 настоящей работы). Результаты работы были представлены на ряде российских и международных конференций. Ссылки на материалы докладов приведены на стр. 230.

Благодарности

Прежде всего хочется выразить благодарность своим учителям и коллегам из Физического Института им. П.Н. Лебедева РАН: профессорам Игорю Ильичу Собельману, Вадиму Николаевичу Сорокину, Льву Израилевичу Бейгману и Леониду Петровичу Преснякову, а также своему научному руководителю по кандидатской диссертации Евгению Николаевичу Рагозину. Трудно переоценить опыт и высочайшую теоретическую и экспериментальную физическую школу, которой они бескорыстно делятся с коллегами, стимулирующие дискуссии и теплые человеческие отношения - все то, что является необходимым для решения сложных задач, требующих максимальной концентрации внимания и творческих ресурсов. Выражаю благодарность Алексею Акимову, Алексею Соколову, Артуру Матвееву и остальным сотрудникам Лаборатории оптики активных сред, вместе с которыми был получен ряд интересных результатов по спектроскопии атомных паров. Сама атмосфера ФИАНа, формируемая всеми членами научного коллектива, тесное сотрудничество с Московским физико-техническим институтом дают импульс к развитию и углублению идей экспериментальной и теоретической физики.

Хочется поблагодарить Сергея Игоревича Канорского, представившего меня известному германскому профессору Теодору Хэншу, в лабораториях которого была проведена значительная часть представленных в диссертации экспериментов. Несколько напряженных лет, проведенных в институте Макса-Планка по квантовой оптике, практически неограниченная творческая свобода, длительная подготовка к сложным экспериментам, серии ночных измерений, обсуждение и подготовка публикаций оставили целый спектр впечатлений, сопоставимый разве что с радужным спектром излучения суперконтинуума, выходящего из фотонно-кристаллического волокна. Хочется поблагодарить немецких коллег Томаса Удема, Рональда Хольцварта, Марка Фишера, Петера Фенделя и Маркуса Циммермана за помощь в подготовке и выполнении некоторых экспериментов, а также французскую группу под руководством Кристофа Саломона и, прежде всего, Мишеля Абгралля и Яна Грюнерта, доставивших цезиевый фонтан РОМ в институт Макса Планка под сильнейшим снегопадом и снабжавших нас одним из самых стабильных и точных сигналов времени в мире.

Теоретическая поддержка части исследований осуществлялась российскими и иностранными физиками: Савелием Каршенбоймом, Владимиром Ивановым, Ули Дженшурой и Мартином Хаасом, которым я также благодарен за обсуждения и помощь.

Выражаю глубокую благодарность своему отцу - H.H. Колачевскму, также физику, область интересов которого, однако, сильно отличается от прецизионных оптических измерений. Тем не менее он был первым, кто заронил искру интереса к точным наукам, любовь к экспериментам и аккуратность при решении различных задач. Остальных членов своего семейства - маму, жену и ребенка хочется поблагодарить за постоянную поддержку, стоическое терпение и толерантность по отношению к моему увлечению, приводящему к поздним возвращениям или длительному отсутствию дома, а также перепадам настроения, вызванным не всегда понятными для них причинами, как, например, отсутствием сигнала в канале фазовой привязки или нестабильностью лазера.

Естественно, хочется вспомнить своих друзей из МФТИ и МГУ с которыми было проведено множество вечеров в общежитиях Москвы, Мюнхена и Иннсбрука за обсуждением как физических так и бытовых проблем: Пашу Бушева, Мишу Клембовского и Олю Назаркину.

Финансовая поддержка исследований была частично предоставлена грантами РФФИ, Президента Российской Федерации, программой "Интеграция", а также фондом Александра фон Гумбольдта (AvH) и Немецким исследовательским обществом (DFG).

Заключение

Диссертация посвящена прецизионным измерениям в атоме водорода, дейтерия и когерентной спектроскопии атома рубидия. Экспериментальные результаты получены методом когерентной лазерной спектроскопии на пучке атомарного водорода (дейтерия) второй гармоникой излучения стабильного лазера на красителе с Л = 486 нм, а также в кюветах с парами рубидия с помощью связанных по фазе полупроводниковых лазеров (780 нм, 795 нм). Ниже приведены основные результаты работы:

1. Разработан новый дифференциальный метод измерения сверхтонкого расщепления метастабильного уровня 25 в водороде и дейтерии. Основными преимуществами метода являются низкие значения магнитных полей в зоне возбуждения (< 1 мГс), существенное подавление основных систематических ошибок и высокая точность. Для осуществления метода создан монолитный стабильный резонатор. Разработана и реализована система стабилизации частоты лазера на красителе с А = 486 нм относительно частоты продольной моды резонатора так, что плавный дрейф частоты лазера составляет менее 0.5 Гц/с, а спектральная ширина линии излучения лазера составляет в 60 Гц.

Экспериментально измерениы частоты сверхтонкого расщепления уровня 25 в атомах водорода 177 556 860 ± 16 ГЧи дейтерия

Янйз (25)/н = 40 924 454 ± 7 Гц.

Точность измерения этих фундаментальных величин повышена в несколько раз по сравнению с результатами, полученными методом радиочастотной спектроскопии.

2. На основании результатов измерения энергии сверхтонкого расщепления уровня 25 Ецрэ(25) определены значения разности

21 = 8-Енрз(25) — £,НРЗ(1'5') в атомах водорода и дейтерия. Результат находятся в хорошем согласии с теоретическим расчетом, выполненным в рамках квантовой электродинамики (КЭД) и позволяют провести проверку поправок КЭД связанных состояний на уровне Ю-7. Доказана справедливость поправок к энергии сверхтонкого расщепления, зависящих от главного квантового числа, вида а(^а)2 Ер и а(^а)21п(£а) Ер, а также поправок отдачи (^а)2 (те/М) Ер, где Ер - энергия Ферми.

3. Измерена абсолютная частота перехода 15-25 в атоме водорода относительно частоты первичного цезиевого стандарта: сепегыа) = 2 4бб 0б1413 18? 078 ± 34 Гц.

Проведен анализ результатов с помощью разработанной модели формы линии и сравнение различных методов обработки данных. Разработана модель возбуждения двухфотонного перехода 15-25 в присутствии фотоионизации уровня 25. Определено, что относительный дрейф частоты 15-25 в атоме водорода не превышает

-3.2 ± 6.4) • Ю-15 год-1.

4. Разработан метод определения верхней границы дрейфа фундаментальных констант в современную эпоху на основе прецизионных измерений оптических частот. Достоинством метода является отсутствие каких-либо сильных модельных допущений о взаимосвязи между константами. На основании измерения дрейфа частоты перехода 15-25 в атоме водорода и комбинации с результатами других прецизионных измерений сделан вывод о верхней границе дрейфа постоянной тонкой структуры дг 1п а = (-0.3 ± 2.0) • 10"15 год-1, магнитного момента ядра цезия (0.6 ±1.3) ■ Ю-14 год-1 и ^-фактора протона: дь 1п др = (-0.05 ± 0.56) ■ 10~15 год-1. алп

9Са

5. Предложен и впервые реализован фазово-когерентный источник би-хроматического поля на базе фемтосекундного лазера с пассивной синхронизацией мод. Определена степень взаимной когерентности полей. На примере атома рубидия экспериментально показано, что источник бихроматического поля позволяет регистрировать резонан-сы когерентного пленения населенности (КПН) с шириной вплоть до 1 кГц, что сопоставимо с результатами, полученными методом прямой модуляции частоты полупроводникового лазера. Преимуществом созданного источника является возможность исследования явления КПН в атомных системах с большим расщеплением нижних уровней, лежащим как в микроволновом, так и в оптическом диапазонах. Впервые с помощью независимых лазерных источников с длинами волн 672 нм и 686 нм исследовано явление КПН в системе атома самария с расщеплением нижних уровней порядка 10 ТГц.

Научная новизна результатов.

Результаты, полученные в данной работе, являются новыми и оригинальными.

Впервые использован оптический метод измерения сверхтонкого расщепления уровня 25" в водородоподобных атомах. Полученные результаты в несколько раз уточняют значения, полученные методами радиочастотной спектроскопии. При этом удалось повысить экспериментальную точность определения важной для теории разности в нейтральных водородоподобных системах, что открыло доступ к исследованию малых поправок квантовой электродинамики к энергии сверхтонкого расщепления для водорода и дейтерия.

Увеличена точность измерения частоты 15в атоме водорода, разработана новая модель возбуждения этого перехода в присутствие фотоионизации. Впервые экспериментально продемонстрирована воспроизводимость определения частоты \S-2S на уровне относительной точности Ю-14, что необходимо для надежного определения постоянной Ридберга.

Впервые определена верхняя граница относительного дрейфа частоты перехода \S-~2S в атоме водорода на уровне Ю-15 в год. Разработан метод разделения вкладов дрейфов фундаментальных констант различной природы в дрейф частот оптических переходов. Впервые определена верхняя граница дрейфа постоянной тонкой структуры в современную эпоху без привлечения модельных допущений о связи дрейфов констант связи различной природы.

Разработан и создан принципиально новый источник бихроматического поля, который был применен в данной работе для исследования явления когерентного пленения населенности связанными по фазе полями.

Практическая значимость работы.

1. John S. Ridgen, "Hydrogen: The Essential Element", Harvard University Press, (2002).

2. J.P. Möhr and B.N. Taylor, Physics Today 54(3), стр. 29 (2001).

3. Т. Beier, P. Indelicato, V.M. Shabaev and V.A. Yerochin, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 36, стр. 1019 (2003).

4. D.L. Farnham, R.S. Van Dyck, Jr., and P.B. Schwinberg, Phys. Rev. Lett. 75, стр. 3598 (1995).

5. G.W.F. Drake, Can. J. Phys. 80, стр. 1195 (2002).

6. S.G. Karshenboim and V.G. Ivanov, Phys. Lett. В 524, стр. 259 (2002); Euro. Phys. J. D 19, стр. 13 (2002).

7. J.W. Heberle, H.A. Reih, and P. Kusch, Phys. Rev. 101, стр. 612 (1956).

8. N.E. Rothery and E.A. Hessels, Phys. Rev. A 61, 044501 (2000).

9. H.A. Reich, J.W. Heberle, and P. Kusch Phys. Rev. 104, стр. 1585 (1956).

10. T.W. Hänsch, Laser Spectroscopy III, 149 Springer Series in Optical Sciences 7, J.L. Hall и J.L. Cflsten, Springer, Berlin/New York (1977).

11. M. Niering и др. Phys. Rev. Lett. 84, стр. 5496 (2000).

12. D. de Deavour и др. Phys. Rev. Lett. 78, стр. 440 (1997).

13. A. Huber, В. Gross, М. Weitz and T.W. Hänsch, Phys. Rev. A 59, стр. 1844 (1999).

14. J. Reichert, M. Niering, R. Holzwarth, M. Weitz, Th. Udem, and T.W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, стр. 3232 (2000).

15. С. Lämmerzahl and H. Dittus, Ann. Phys. (Leipzig) 11 , стр. 95 (2002).

16. Д.Д. Иваненко, Г.А. Сарданашвили, "Гравитация", УРСС, Издательство научной и учебной литературы, Москва (2004).17 18 [19 [20 [21 [2223 24 [252627 28 [29 [30 [3132 333435 36

17. G. Hagel, R. Battesi, F. Nez, L. Julian, and F. Biraben, Phys. Rev. Lett. 98, 203001 (2002).

18. H.F. Hess и др. Phys. Rev. Lett. 59, стр. 672 (1987).

19. C.L. Cesar и D. Kleppner, Phys. Rev. A 59, стр. 4564 (1999).

20. D. Bakalov, E. Milotti, C. Rizzo, A. Vacchi и E. Zavattini, Physics Letters A 172, стр. 277, (1993).

21. F. Kottmann и др., 'Towards a Lamb Shift Measurement in Muonic Hydrogen ", в: 'Quantum Electrodynamics and Physics of the Vacuum' QED 2000, Second Workshop, ed. Giovanni Cantatore, AIP Conf. Proceedings New York 564, стр. 12 (2001).

22. J. Eades and F.J. Hartmann, Rev. Mod. Phys. 71, стр. 373 (1999).

23. M. Amoretti и др., Nature, 419, стр. 456 (2002).

24. G. Gabrielse и др., Phys. Rev. Lett. 89, 213401, (2002).

25. A.D. Kondorsky, L.P. Presnyakov, Laser Phys., 12, стр. 449 (2002).

26. K.R. Vogel и др. Opt. Lett. 26 стр. 102 (2001). Th. Udem и др. Phys. Rev. Lett. 86, стр. 4996 (2001).

27. H.S. Margolis и др., Phys. Rev. A 67, 032501 (2003).

28. J. von Zanthier et al. Opt. Lett 25, стр. 1729 (2000). M. Eichenseer и др., Laser Physics 11, стр. 1117 (2001).

29. J. Stenger, C. Tamm, N. Haverkamp, S. Weyers, and H.R. Telle, Opt. Lett. 26, стр. 1589 (2001).

30. E. Peik и др., E-print: physics/0402132.

31. P.J. Blythe и др., Phys. Rev. A 67, 020501 (2003).

32. B.C. Young, F.C. Cruz, W.M. Itano, and J.C. Berquist, Phys. Rev. Lett. 82, стр. 3799 (1999). R.J. Rafac и др., Phys. Rev. Lett. 85, стр. 2462 (2000).38 39 [404145