精密光学测量

发布时间：2013-06-05           来源：admin           浏览次数：206

一、主要研究内容简介

       物理学是以实验为基础的科学，物理实验的中心环节是物理量的测量。虽然现代物理学实验沿着高能量和高精度两个方向发展，但是高精度实验逐渐占领了物理实验研究的主战场，成为现代实验物理学的主要发展趋势，（在某些情况下，精密原子实验甚至可以替代高能粒子实验）。精密测量在现代物理学的发展中，既是技术上的制高点，也是战略上的制高点。而精密光学测量是人类迄今为止所掌握的精度最高的测量手段。实验数据显示，用于地面引力波探测的“激光干涉引力波观测台”（LIGO，美国）中的工程主体--激光干涉仪，能够测量相隔千米的两个宏观物体之间微小的距离变化，这个距离变化在空间尺度上相当于原子核直径的千分之一！在物理学实验研究的前沿，精密光学测量使我们能够精确检验基本物理原理，研究自然界的基本对称性、时空属性、量子力学中未被涉猎的领域、极端条件下物质和光的相互作用、原子分子的结构和相互作用、物质的新形态（如相干原子和超流原子气）、以及物理系统与信息之间的深层联系，等等。
 
    作为华中科技大学物理学院精密测量物理重点学科建设的重要工作之一，我们计划在精密光学测量的如下几个方向开展实验研究：

  （一）空间光学测量（卫卫激光测距）

    由于空间环境具有许多地面环境无法取代的优点，加上我国航天技术的飞速进步，在宇宙空间或近地空间进行更精密的科学实验和工程任务将是未来科研发展的趋势。研究内容包含：激光干涉光学平台、高精度相位测量、弱光信号探测、高精度光学锁相、精密光束指向测量与控制、高精度连续激光绝对测距。
 
   （二）基础（引力）物理与光钟

       以高精度著称的原子、分子和光学（AMO）技术，在现代基础物理精密实验研究中，是关键的技术支撑力量，其中高精度原子钟技术就是典型代表。我们计划发展有自己特色的原子光钟技术，并在其基础上，尽量多地高效率开展对物理学有深远影响的基础（引力）物理实验。
 
     1）电磁精细结构常数随时间变化测量
       精细结构常数，作为电磁相互作用中电荷之间耦合强度的一种度量，它是否随时间变化，是一个涉及到基本粒子标准模型和广义相对论这两个现代物理学基础理论的关键问题。由于原子能级与精细结构常数有密切的关系，如果精细结构常数随时间发生变化，原子在不同能级间跃迁时产生的电磁辐射的频率也将随着时间而发生漂移。理论计算表明，通过比较用不同的原子（离子）制成的原子钟的频率随时间变化的情况，原则上能够探测出精细结构常数的是否随时间改变。
 
      2）引力红移及其普适性检验
       引力红移效应是广义相对论的理论预言，该预言在一定的测量精度内被实验观测肯定。但是，作为对爱因斯坦等效原理中关于局域位置（时间）不变性的检验，精确测量引力红移效应和检验其普适性，仍然是引力物理实验的重要任务。根据广义相对论关于引力红移效应的预言，原子钟的本征频率受所处引力场的影响而向低频方向平移。高精度原子钟能够用来定量精确测量引力红移效应，也可以比较两台不同原子钟在相同引力势变化下的引力红移，测量引力红移效应是否与物质结构有关，后者是对引力红移的普适性的一种检验。
 
      3）空间各向同性检验
       局域洛伦兹不变性是爱因斯坦等效原理的重要内容，也广义相对论的基本理论假设之一。对局域洛伦兹不变性的检验，具有重要的科学价值。局域洛伦兹不变性要求物理空间具有各向同性的属性，排除宇宙中特殊参考系的存在可能。如果宇宙中确实存在特殊参考系，比如宇宙微波背景辐射所在的参考系，电磁相互作用规律只在此参照系中严格成立的话，那么局域洛伦兹不变性将被破坏。其它相对于特殊参考系作不同运动的参考系，电磁相互作用规律将有所不同。按照粒子标准模型的拓展理论（standard model extension），在相对于特殊参考系运动的某参考系中，原子超精细磁能级在外加磁场中的能级分裂，与外磁场的空间取向有关，取决于磁场方向和该参考系（相对于特殊参考系）的运动方向的相对关系。如果原子钟的“钟跃迁”涉及超精细磁能级的能级分裂，就可以通过测量原子钟的频率是否随原子钟所处磁场方向（随地球转动改变）与地球参考系（相对于微波背景辐射所在的参考系）的运动方向的相对关系的改变而改变。
 
      4）时间反演不变性检验
       物理学基本对称性包括电荷共轭对称（C-对称），空间反演对称（又称宇称, P-对称），时间反演对称(T-对称)，以及它们的各种组合(CP, CPT)。规范理论认为CPT是一个好的对称性，所以T-对称的破缺伴随着CP对称破缺。而CP对称破缺被认为与宇宙大爆炸后物质与反物质的不对称有关，所以CP破坏的起源是一个重要的基础物理问题。但是，T-对称的破缺还没有被（无争议地）直接观测到，实验上对T-对称破缺的探测可能带来对CP对称破缺的起源的了解，因而具有重要的物理意义。对于中子、原子或分子的永久电偶极矩的测量，如果结果为非零，将是T-对称破缺的直接证据。        

  （三）亚散粒噪声的光学干涉和信号探测
 

    以原子钟和引力波光学探测为代表的极端精密测量技术的发展告诉我们，被测系统的标准量子噪声（散粒噪声）正在逐渐成为精密光学测量中限制测量精度（信噪比）提高的重要因素，甚至是主要因素。这标志着精密光学测量将从单纯的经典领域向量子领域过度。根据量子光学理论和实验结果，物理系统的散粒噪声源于真空量子零点涨落，是基于经典物理的技术无法克服的。我们计划研制高质量的压缩态光源，并利用其产生的高压缩度非经典态光束的量子特性，去压低光学干涉和光学信号探测中的散粒噪声，提高相关光学测量的信噪比和精度。
 
二、目前研究进展状况

       （一）空间光学（卫卫激光测距）

    空间光学测量研究组在引力实验中心山洞实验室已建立一组10米长的激光干涉测距系统，初步位移测量分辨率已小于10纳米。目前正进行高精度激光锁相、超精密指向控制以及高精度绝对距离测量研究。主要研究设备包括：窄线宽激光器3台、自组激光干涉仪、频谱分析仪、高性能示波器、锁相放大器、任意波形产生器、声光调制器和电光调制器、纳米定位平台、光学隔震平台。
 
   （二）基础（引力）物理与光钟

    2010年10月召开了实验室内部研讨会，并与武汉物数所建立合作关系。已购买大部分用于铝离子光钟的设备、仪器，已投入经费近1000万人民币。国家自然科学基金3项，获教育部新世纪优秀人才计划支持。
 
   （三）亚散粒噪声的光学干涉和信号探测

    完成超稳光腔设计，正在制作光腔；正在开展低噪声光电探测器设计制作。已有40平米超静、净化实验室1间，2W、1064nm窄线宽激光器1台和部分电子设备。正在采购其它需要设备、仪器和元件。获湖北省楚天学者（特聘教授）计划支持。
 
三、发展目标

        （一）空间光学测量

    空间光学测量研究组的主要研究方向为长基线激光干涉精密测量，研究目标同时面向国家需求和科学前沿。中期研究目标为研发卫星重力测量所需的卫星-卫星激光测距技术，长期研究目标瞄准空间引力波探测所需的超长基线激光干涉测距技术。
 
   （二）基础（引力）物理与光钟

    围绕所定的物理目标和国家在物理量精确测量上的重大需求，开展原子光钟技术研究。利用所发展的精密光钟测量技术，针对现代物理学的若干重大基础理论问题，开展相关基础（引力）物理实验，对相关物理学基本原理进行精确检验，推动基础物理学的发展。
 
   （三）亚散粒噪声的光学干涉和信号探测
 

    从量子力学和量子光学理论出发，研究精密测量中，尤其是精密重力和引力测量中，由量子力学基本原理决定的物理系统的噪声问题，针对性地利用和发展量子光学技术去压低甚至剔除测量过程中的量子噪声。通过这些研究的开展，我们计划在华中科技大学建立一个独具特色、设备先进齐全的量子光学与量子测量实验室，培养一批具有扎实理论基础、熟练掌握必要实验技能、把握该领域研究前沿的专业人才，形成一个有明确研究方向、支具有世界领先水平的研究团队，使华中科技大学在面向极端精密测量物理的量子光学和量子测量实验研究中，跻身于世界前列。