腔稳频激光及其在洛仑兹不变性检验中的应用

发布时间：2020-03-27 07:04

【摘要】：狭义相对论是现代物理学的基本理论之一,洛伦兹不变性是狭义相对论的本质核心。为实现基本粒子的标准模型和广义相对论的统一而建立起来的理论,预言在一定程度上可能存在洛伦兹不变性破缺。许多地面和空间检验洛伦兹不变性的方法已经开展,比如光腔检验、脉冲星计时法和真空色散等。旋转光腔法是检验洛伦兹不变性的重要方法之一,它具有很高的探测灵敏度、测量时间相对较短并且在实验室就能完成,这些优点是其他方法不能比拟的。提高实验检验精度可能探测到的洛伦兹不变性破缺,进而否定现有的统一理论,对物理学的发展具有重要意义。激光的剩余幅度调制(RAM)是降低激光频率稳定度的重要因素,会直接影响洛伦兹不变性的检验精度。采用输入和输出有楔角的电光晶体对RAM进行抑制,并研究了楔角晶体中RAM的特性和优化方法,将RAM的波动压制到2 ×10-7,当使用鉴频斜率1×104 V/Hz时,对应的频率不稳定度为8×1018。腔稳频激光是洛伦兹不变性检验的关键技术,为此搭建了578 nm窄线宽激光系统。通过与商用Hz量级拍频,拍频线宽为3.6 Hz,频率稳定度在4 s平均时间达到最小值5 ×10-15。这一工作为洛伦兹不变性检验所需的超稳激光打下了实验基础。基于以上研究基础,搭建了10cm复合光腔的洛伦兹不变性检验装置。实现了三个月的连续运转,采用SME检验模型对积累数据分析,统计误差在10-15的量级。进一步对系统进行了改进和优化,采用两路空间光分别传输上转台。对改进后三天的数据的分析结果表明,SME中部分参数的统计误差已经进入10-16量级。
【图文】：

光腔,转台

在ＳＭＥ理论中，这一过程可以理解为物理体系相对于一个具有非零逡逑真空期望值且具有各向异性的固定背景场运动。由于粒子与背景场可能存在相互逡逑作用，物理体系在不同的方位呈现出不同的特性。通过对比图１．３对比中激光拍逡逑频频率差可以在一定的精度下检验洛伦兹不变性。逡逑１．２．２邋光腔检验洛伦兹不变性的数据处理逡逑ＳＭＥ检验模型是洛伦兹不变性检验最常用的理论模型之一。它采用以太阳逡逑系为中心的天体赤道坐标参考系。当在地面进行观测时，测量结果会受到地球自逡逑转和公转的影响。光腔检验洛伦兹不变性是洛伦兹不变性检验的重要方法。如果逡逑光腔静止不动，测量结果容易受到环境漂移的影响。如果将光腔放置在转台上，逡逑利用转台转动，将由于地球自转以及地球围绕太阳公转所造成的长周期低频调制逡逑信号转到高频上，这样就不会受环境漂移的影响。逡逑在转台转动过程中，如果洛伦兹不变性破缺，拍频信号会受到转台旋转，地逡逑球自转，地球公转调制的影响，因而数据处理需要分三步进行。第一步，对在转逡逑５逡逑

迈克尔逊,光腔,激光,高分辨激光光谱

技术的进步，国际上已经有多个实验室建立了基于高稳定光腔或者微波腔的激光逡逑干涉仪，开展洛伦兹不变性的实验检验＾１７，，１８，３４＿３８］。进入２１世纪后，现代逡逑Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ－Ｍｏｒｌｅｙ实验取得很大进展，如图１．４所示。逡逑■邋＇逡逑１0＇９逦逦－＊逦ｒ－？逦逡逑１0－１０邋！＾Ｖ—Ｈ逦逦逦逡逑１０＂１１邋ｒ逦■逦逦逡逑１０－邋＾逦逦Ｌ逦－＾逡逑｜逦１０—１３邋ｒ邋：逦ｉ逦￣逡逑＜邋１０逦ｒ—￣｜＾ｊ—￣￣逡逑１０－１５邋ｒ逦逦！逦N逦逦逡逑１０邋ｒ逦ｉ逦ｒｆ逡逑，＿１７邋：邋ａ邋ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ逡逑１０逦「 S靡诲澹茫幔觯椋簦危骸瓱K 逡逑ｉｏ邋ｒ逦１逦逦１逦：－一逡逑１ｑ－１９邋ｒ邋．邋．邋．邋Ｉ邋，邋．邋．邋ｉ邋？邋．邋，邋ｉ邋，邋，邋．邋ｉ邋，邋，邋．邋ｉ邋，邋．邋．邋ｉ邋，，，逡逑１８８０邋１９００邋１９２０邋１９４０邋１９６０邋１９８０邋２０００邋２０２０逡逑Ｙｅａｒ逡逑图１．４迈克尔逊莫雷实验的研宄进展。结果取自参考文献Ｍ。逡逑１．２．４邋ＰＤＨ稳频的国内外研究进展逡逑光腔检验洛伦兹不变性涉及多项关键技术，而腔稳频激光是其中的核心技术逡逑之一，因此这里先介绍腔稳频激光的发展历程。逡逑近年来，随着光频率标准［３９４５］、引力波探测［４６＿５１］和高分辨激光光谱［５２－５６］等精逡逑密测量领域的发展，对激光器的线宽和短期频率稳定度要求不断提高。国际上己逡逑经有多个研究单位研制的超稳激光的频率稳定性已经接近参考腔的热噪声
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O412.1;TN241

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