2005年诺贝尔物理奖得主---

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1、2005年诺贝尔物理奖得主---汉希(T.W.Hänsch)、霍尔(J.L.Hall)和葛劳柏（RoyJ.Glauber）美国科学家葛劳柏美国科学家约翰-哈尔德国科学家汉什2005年是爱因斯坦发表狭义相对论以及光电效应和布朗运动理论的100周年，为了推动物理教学与研究，联合国特别将2005年定为世界物理年。爱因斯坦假设光速在惯性坐标中为恒定，透过此绝对的基本物理量建立了狭义相对论和质能关系，此外他提出光量子成功解释光电效应。非常恰巧的，2005年10月发布的诺贝尔物理奖得主汉希（TheodorW.Häns

2、ch）、霍尔（JohnL.Hall）与葛劳柏（RoyJ.Glauber）的贡献跟光速及光的量子性质有密切的关系。汉希及霍尔两人因在精密激光光谱，包括光频梳（opticalfrequencycomb）技术的发展而获此殊荣。霍尔是美国JILA（JointInstituteofLaboratoryofAstrophysics）的资深研究员，是激光稳频高手。汉希是德国慕尼黑大学教授及普朗克量子光学研究所主任，是氢原子1S-2S光谱高手。他们两人是好朋友，都热爱实验。到JILA拜访霍尔，通常要在地下室的实验室才能找

3、到他。汉希在慕尼黑大学物理系办公室对面有一个人实验室，他常在那里做一些有趣的实验，霍尔来访时也会邀他一起做实验。在这篇文章我们将简介汉希与霍尔的学术工作及光频梳。激光稳频：激光的本征线宽（intrinsiclinewidth）由Schawlow-Townesrelation所限制，除了半导体激光因其微小共振腔内光子数目不多线宽大外，大部分激光的本征线宽小于1Hz。如1mW的红光633nmHeNe激光，其Schawlow-Townes线宽小于1mHz。然而由于各种不同的技术性噪音（technicalnois

4、e），例如激光结构的振动、折射率的扰动等，实际的激光系统离Schawlow-Townes线宽有一段不算小的距离。激光稳频包括线宽压缩和频率稳定两部份。压缩激光线宽的方法通常使用高反射镜组成的光学共振腔，而激光频率稳定则利用由次都卜勒（sub-Doppler）光谱取得的原子或分子光谱。原理如图1。图1激光稳频的原理。参考频率可以是原子光谱或共振腔的光谱。激光探测各种与频率有关之物理量(如原子光谱、共振腔光谱等)误差讯号回授控制控制雷射腔长或腔外光之相位霍尔在激光稳频的贡献卓越，包括：1、甲烷（CH4）稳频3

5、.39mmHeNe激光及碘分子稳频1064nmNd:YAG激光，这两种稳频激光是最稳定的参考波长；2、FMspectroscopy、NICE-OHMS和Pund-Drever-Hall等高灵敏的光谱方法。利用这些方法及技术激光线宽已达1Hz以下，激光稳定度已高于铯原子钟。即光钟在未来有可能取代铯原子钟。稳定性和同调性这么好的激光究竟有甚么用？这些激光广泛使用于高解析光谱研究和高灵敏干涉仪应用。除了建立一级波长（或长度）标准外，霍尔使用稳频激光做了下列工作：测量光速（导至1983年长度标准的新定义：一公尺为

6、光于299,792,458分之1秒在真空中所走的距离），测量空间的等向性（isotropyofspace），检验狭义相对论，测量光反冲作用（photonrecoil为原子发射光子时因光子的动量引起的反冲），观察黑体辐射（或温度）对原子光谱的作用等。这些工作的细节在此不做说明，有兴趣的读者可从霍尔的publicationlist中找到（http://jilawww.colorado.edu/hall/）。氢原子1S-2S双光子光谱N.Bloembergen（诺贝尔奖得主）和M.D.Levenson认为“氢原

7、子1S-2S双光子光谱是物理中最重要的课题之一，是具高度挑战性的实验…”。由于2S能阶的生命期约为1/7秒，1S-2S双光子光谱的线宽仅有1.3Hz，解析极限为10-15。氢原子及其同位素的1S-2S双光子光谱可用来检验量子电动力学（QED）、决定雷德堡常数（Rydbergconstant）及电子质子质量比（electron-protonmassratio）。汉希自从在1975年，利用一脉冲染料激光，首先观测到氢原子1S-2S双光子的次都卜勒光谱以来，已经花了半辈子的精力观测此跃迁。最新的成果是以一窄线宽

8、的CW486nm染料激光，经倍频产生243nm的紫外光，再利用一光学共振腔增强紫外光，去观测一氢原子束的1S-2S双光子光谱。为了压缩线宽，放电产生的氢原子先经一液氦冷却的喷嘴将温度降至5~6K后进入光学共振腔。以一小电场将2S原子转至2P能阶，测量2P至1S的荧光，即可得1S-2S双光子吸收信号。486nm染料激光的频率则是利用一光频梳测出，整个实验系统见图2。目前氢原子1S-2S双光子光谱线宽约530Hz离自然线宽尚有3个