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【资料正文】
量子光学之父和精密光谱学大师
——2005年诺贝尔物理学奖
 作者:佚名  来源:网络  更新:2006-1-19 12:59:13 选择语言:繁體


内容提要:
2005年10月4日,瑞典皇家科学院宣布,将2005年度诺贝尔物理学奖的一半奖金授予美国量子光学家罗伊·格劳伯,以表彰他对光学相干的量子理论做出的贡献;另一半奖金则颁发给美国量子激光学家约翰·霍尔和德国量子光学家特奥多尔·亨施,以表彰他们对基于激光的精密光谱学发展做出的贡献。
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  在格劳伯的理论提出20年之后,以原子物理和量子光学为基础霍尔和汉斯在高精度的测量技术方面做出了杰出贡献。

  原子钟是当前相当精密的时间测量仪器,它对时间精确测量主要依靠原子跃迁的频率测量的精确度,原子处于热运动状态下,测量就不可能太精确。利用激光冷却技术使原子冷却,也就是降低它的热运动速度就有可能得到精确的测量结果。
光梳

  对时间的精确测量主要依靠原子跃迁的频率,但在原子运动的状态下,测量不精确。然而利用激光技术将原子冷却后使之速度降低,就可以做出精确测量。霍尔和汉斯的主要工作是在精确测量技术上取得了较好的成果。他们成功地应用了一种叫做光梳(也叫频率梳)的技术。
  
  所谓“光梳”技术就是研制出一种新的装置,使之能产生一系列频率均匀分布的频谱,即它所产生的频谱像有均匀间隔的梳子一样,人称“频率梳”。这种“频率梳”就像一把带有刻度的光学梳子,专门用来梳理光波的频率,也就是说用来测量光波未知频谱的具体频率。

频率梳技术原理。图表上半部分显示了激光的正极是如何产生的。左下图显示了几个正极工作时的相互依赖性(在这一阶段,每个正极只包含极少的振动)和不同频率间的分配模式。光谱分配由一个梳型频率组成,彼此的界限是非常明确的。但是,光谱的零点是未知的,以f0代替。利用非线性光学技术,光谱的频率能够增加一倍(如右下图所示)。这时,光谱的最低频率大致相当于增加前的最高频率,用F0代表的光谱零点也可以得到确定。


  频率测量的精确性很大程度上取决于时间测量的精确性。美国国家标准技术研究院和科罗拉多大学“联合研究所”的科学家开发的世界上迄今为止最精密的时钟,精确度可达几个毫沙秒。1毫沙秒等于1000万亿分之一秒。因此,这种“频率梳”的“梳齿”间的“齿距”在毫沙秒级。这种“频率梳”被称为“毫沙秒梳”。这样精密的时间间隔是由激光脉冲产生的。这种世界上迄今为止最精密的时钟将比当今微波原子钟要精密100倍。

  20世纪70年代汉斯首先提出了采用短脉冲激光作为测量光频率尺度的光梳技术。霍尔第一次看见汉斯的论文时,他认为这个主意“不是天才的预言,就是绝对的荒谬”。但是渐渐地霍尔认为这是一个极好的想法。

  光梳技术的实现需要用一台激光器发射出波长稳定的短波光脉冲。霍尔和汉斯在合作与竞争中逐步把工作推向前进。大约在5年前霍尔和他的同事在美国国家标准技术研究院和科罗拉多大学“联合研究所”实验室解决了实现光梳技术的最后一个难题。由于获奖者对光梳技术进行了有效地改进,在20世纪末期,光梳的精确度已经可以达到小数点后15位。

  这三位获奖者的研究成果尽管生涩难懂,但却早已经在诸多领域获得了广泛应用,在一些方面已惠及普通人,与我们的生活息息相关。光梳技术的研究成果可以广泛用于化学、物理和天文领域中的超精密测量,制作更为精密的原子钟,改进现有的全球GPS卫星导航定位系统,提高太空望远镜的观察精确度,也可以用于制作三维激光全息电影。还可能用于研究物质和反物质的关系,以及用于检测某些自然界常数可能产生的变化。

  三位获奖者的发现,为人类光学领域做出了巨大贡献。格劳伯奠定了量子光学的理论基础,使得人们可以描述光中微粒子的运动;而霍尔和亨施对精密光谱学的研究,使人们可以精确地测得原子和分子的光学颜色,还可以把光频率测量精确到小数点后15位数。据此,人们可以制造极其锋利的激光仪,而通过梳状滤波技术,所有颜色的光谱都可以被测量。诺贝尔委员会恰如其分地赞扬道:他们凭借自己的成果为现代光学展现了新曙光。

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