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研究生:張益修
研究生(外文):Yi-Hsiu Chang
論文名稱:利用雙光子光譜測量銫原子6S-7D的超精細結構
論文名稱(外文):Measurement of the 6S-7D Hyperfine Structure of Cesium using Two-photon Spectroscopy
指導教授:蔡錦俊
指導教授(外文):Chin-Chun Tsai
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:物理學系碩博士班
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:77
中文關鍵詞:利用雙光子光譜測量銫原子6S-7D的超精細結構銫原子超精細結構雙光子躍遷
外文關鍵詞:hyperfine structure
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我們利用銫原子雙光子躍遷光譜實驗研究6S-7D能階躍遷之超精細結構,雙光子躍遷光譜具有消除都卜勒增寬效應的效果可以得到較窄線寬的訊號,有助於分析超精細結構決定超精細結構能階分裂的主要參數A(the magnetic dipole coupling constant)與B(the electric quadrupole coupling constant)係數。實驗中第一部分僅由銫原子雙光子6S-7D能階躍遷決定參數,第二部分引入AOM調制雷射光頻率,作為頻率歸一標準決定參數,第三部分引入EOM取代AOM調制雷射光頻率,作為頻率歸一標準決定參數,並使用衛星GPS訊號得到鎖定銫原子鐘的穩定頻率10MHz對驅動EOM的RF輸出源中作校正。實驗中7D(5/2)能階需要的波長頻率為13034.4(1/cm),7D(3/2)能階需要的波長頻率為13023.9(1/cm),利用Ti:sapphire雷射提供光源,入射於可加熱溫控的銫原子氣室,藉由偵測銫原子階梯式躍遷7P-6S的螢光訊號,成功觀測到6S-7D能階躍遷之超精細結構光譜,並對得到的實驗光譜數據帶入由Mathemathica寫的程式作模擬分析,決定出A、B係數分別為:
7D(5/2)能階A=-1.81±0.05MHz、B=1.01±1.06MHz,7D(3/2)能階A=7.55±0.07 MHz、B=-0.62±0.87。
另外,在研究此題目前延續實驗室6S-8S銫原子雙光子躍遷光譜實驗,以之前實驗室相關研究為基礎,另外討論在入射雷射光為圓偏振下量測強度增寬(Power broadening)、光偏移(light shift)、碰撞偏移(Pressure shift)的特性,此部份結果記錄於附錄中。
Using two-photon spectroscopy, Cs 6S-7D hyperfine structure has been measured and analyzed. The two-photon method, a classical nonlinear spectroscopic technique, is the best way to obtain the Doppler-free spectrum. These results can be used to determine the magnetic dipole constant A and electric quadrupole constant B to a higher precision because the linewidth is sufficiently narrow.
The first part of this thesis, the hyperfine coupling constants can be calculated from the splitting of the spectra. Secondly, in order to improve the accuracy of measurement, an acousto-optical modulator (AOM) is added in the system as a frequency marker. And then, the AOM is substituted by an electro-optical modulator (EOM) for modulating the laser frequency to mark the two-photon transitions. The frequency of EOM is calibrated by a 10MHz frequency standard which is stabilized to a cesium atomic clock. The wavelength of and TPTs are approximately 767.8 nm and 767.2 nm, respectively. In this experiment, the laser light from a ring-cavity Ti-sapphire laser was passed through a cesium vapor cell which was temperature stabilized by a homemade temperature controller. When the two-photon transition occurred, cascade violet fluorescence (7P��6S) is collected and amplified by a filtered-photomultiplier tube. The splitting intervals measured from the hyperfine spectrum were fitted with the convolution of the Lorentzian profile with the energy splitting formula by Mathemathica software. The calculated hyperfine coupling constants are as followed:
7D(5/2): A=-1.81±0.05MHz, B=1.01±1.06MHz,
7D(3/2): A=7.55±0.07 MHz, B=-0.62±0.87。

Chapter 6.3 is the results on the Cs 6S-8S TPTs using a circular polarized light. This study is the extension of our previous project which is the Cs 6S-8S TPTs with linear polarized light. Therefore, this part was collected as appendix. In this section, we measured the properties of TPTs (including nature line width, power broadening, and pressure broadening) and light shift and pressure shift of Cs 6S-8S.
摘要 1
ABSTRACT 2
致謝 3
目錄 4
圖目錄 6
第1章 緒論 9
1.1 研究目的 9
1.2 雙光子躍遷研究歷史 9
1.3 超精細結構之A、B係數 9
第2章 基本理論 11
2.1 原子的精細結構 11
2.2 銫原子超精細結構與A、B係數 13
2.3 都卜勒效應及無都卜勒增寬雙光子躍遷 17
2.4 EOM作用下之頻率關係與雙光子躍遷強度 18
第3章 實驗架設 21
3.1 雷射系統 21
3.2 PMT及高壓源 21
3.3 鎖相放大器 22
3.4 擷取訊號(AUTOSCAN & INTERNAL SCAN) 23
3.4-1 Autoscan 23
3.4-2 Internal scan 23
3.5 螢光訊號收光系統架設與測試 24
3.6 利用隔磁金屬隔絕磁場 26
3.7 AOM與EOM使用介紹 27
3.8 GPS銫原子鐘校正COUNTER、EOM 29
3.9 AOM調制下雙光子躍遷實驗架設 32
3.10 EOM調制下雙光子躍遷實驗架設 34
第4章 實驗結果及分析 37
4.1 單一躍遷訊號之A、B係數分析 37
4.2 使用AOM調制下躍遷訊號之A、B係數分析 40
4.3 使用EOM調制下躍遷訊號之A、B係數分析 43
第5章 結論 52
第6章 附錄 53
6.1 程式 53
6.1-1 Mathemathica程式-1 53
6.1-2 Mathemathica程式-2 55
6.2 實驗數據表 58
6.3 6S-8S銫原子雙光子躍遷光譜在圓偏振下之效應 70
6.3-1 理論 70
6.3-2 實驗裝置 71
6.3-3 實驗結果與分析 72
6.3-4 強度增寬(Power broadening) 73
6.3-5 光偏移(light shift) 74
6.3-6 碰撞偏移(Pressure shift) 75
6.3-7 結論 76
參考文獻 77
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