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第一章原子能级与光谱1

1.1 原子结构的基本知识1

1.1.1 原子和它的结构1

1.1.2 原子中核与电子的相互作用3

1.2 单电子原子的能级与光谱4

1.2.1 氢原子的玻尔模型和主量子数n5

1.2.2 角动量量子数和磁量子数11

1.2.3 能级和谱线的精细结构14

1.3 碱金属原子的能级与量子数26

1.3.1 原子的电子壳层结构26

1.3.2 碱金属原子的量子数和能级28

1.4 多电子原子的能级和量子数36

1.4.1 L-S耦合37

1.4.2 i-i耦合44

1.4.3 J-l耦合与拉卡(Racah)符号45

1.4.4 多电子原子能级与光谱举例47

1.5 塞曼效应和斯塔克效应53

1.5.1 原子的磁矩54

1.5.2 塞曼效应55

1.5.3 斯塔克效应61

1.6 原子能级的超精细结构61

1.6.1 核自旋效应62

1.6.2 核电四极矩效应68

1.6.3 同位素效应72

1.7 超精细能级的塞曼效应74

1.7.1 考虑核自旋时原子的总磁矩74

1.7.2 超精细能级的塞曼效应75

1.7.3 超精细结构塞曼跃迁谱线80

参考文献85

2.1.2 分子内部三种运动状态86

2.1.1 分子结构与分类86

2.1 分子光谱的特点86

第二章分手能级和光谱86

2.1.3 分子光谱的特点87

2.2 分子转动态与转动能级89

2.2.1 双原子分子的转动量子数和转动能级89

2.2.2 多原子分子的转动能级92

2.3 分子的振动能级与光谱92

2.3.1 双原子分子振动能级与光谱92

2.3.2 多原子分子的简正振动与振动能级96

2.3.3 振动-转动系统100

2.4 分子的电子态与电子态跃迁101

2.4.1 分子中电子状态的描述101

2.4.2 分子的电子带光谱105

2.5 分子能级的斯塔克效应和塞曼效应109

2.5.1 斯塔克效应109

2.5.2 塞曼效应111

2.6 分子能级的超精细结构113

2.6.1 分子能级的超精细结构113

2.6.2 超精细结构的斯塔克效应和塞曼效应114

参考文献116

第三章辐射场与粒子相互作用的基本知识117

3.1 电磁场与粒子相互作用的经典图象117

3.1.1 自由辐射场的基本性质117

3.1.2 辐射场的模与模密度122

3.1.3 辐射场的产生125

3.1.4 辐射阻尼和谱线的自然宽度130

3.1.5 受激发射与吸收133

3.1.6 电磁波在介质中的吸收和色散136

3.2 光子与量子跃迁139

3.2.1 黑体辐射规律与光子139

3.2.2 光子的基本性质142

3.2.3 光子状态和它的统计涨落144

3.2.4 量子跃迁146

3.2.5 辐射跃迁系数之间的爱因斯坦关系式148

3.3 波谱信号的观测151

3.3.1 电磁波谱151

3.3.2 观测量子跃迁的两种实验方法153

3.3.3 波谱信号参量的描述156

3.3.4 调制在观察波谱信号中的作用160

3.4 跃迁几率与信号强度164

3.4.1 孤立原干二能级偶极跃迁几率164

3.4.2 孤立二能级偶极跃迁几率的经典解释——磁共振168

3.4.3 有限寿命下二能级的平均跃迁几率173

3.4.4 弛豫和弛豫作用下的稳态跃迁速率174

3.4.5 跃迁矩阵元及其与电磁场偏振的关系178

3.4.6 跃迁几率的实际估算184

3.4.7 信号强度186

3.4.8 信号的饱和188

3.4.9 等距多能级系统的跃迁几率(Majorana公式)191

3.5 谱线的频移与增宽194

3.5.1 有限辐射寿命引起的线形与线宽194

3.5.2 辐射频移与增宽196

3.5.3 饱和增宽200

3.5.4 碰撞增宽与频移202

3.5.5 多普勒增宽和频移206

3.5.6 若干克服多普勒增宽的方法210

3.5.7 实验条件不善引起的谱线增宽与频移213

3.5.8 均匀增宽与非均匀增宽、谱线的实际宽度216

3.6 受激发射放大振荡218

3.6.1 受激发射增益218

3.6.2 性谐振腔的特性221

3.6.3 振荡条件222

3.6.4 激射器的振荡频率225

3.6.5 激射器的振荡频谱228

参考文献232

4.1 量子频标的指标及其表征235

第四章频率控制原理235

4.1.1 频率准确度236

4.1.2 频率稳定度236

4.1.3 频率复现性239

4.2 非自激型量子频标工作原理239

4.2.1 非自激型量子频标的伺服环路239

4.2.2 简化的伺服环路及其静态特性241

4.2.3 闭环工作过程243

4.2.4 伺服环路的动态特性曲线、捕捉带及同步带245

4.3 锁频环路的瞬变过程与截止频率247

4.3.1 锁频环路的线性化247

4.3.2 基本环路方程249

4.3.3 环路的瞬变过程250

4.3.4 环路截止频率253

4.4.1 环路各点噪声对输出频率的影响256

4.4 噪声与干扰对输出频率的影响及环路的设计256

4.4.2 非自激型量子频标伺服环路的设计260

4.5 自激型量子频标基本原理及其特性265

参考文献270

第五章原子束频标271

5.1 铯束管的基本结构271

5.2 原子在不均匀磁场中的运动274

5.2.1 铯原子的超精细结构274

5.2.2 二极场中原子的运动轨迹及其探测条件275

5.3 束强及其分布282

5.3.1 薄壁小孔的泻流282

5.3.2 经长管道准直器的泻流284

5.3.3 检测束强287

5.3.4 无偏转束形287

5.3.5 原子束的速率分布289

5.3.6 有偏转场时的束形289

5.4 谱线的线形及线宽298

5.4.1 单振荡场的跃迁几率299

5.4.2 分离振荡场的跃迁几率301

5.4.3 振荡场相移对跃迁谱线的影响305

5.4.4 跃迁过程的经典描述307

5.4.5 两种激励方法的比较311

5.5 束的检测与信噪比311

5.5.1 表面电离法311

5.5.2 静电计或电子倍增器输出端的信噪比313

5.5.3 束管输出端的检测信噪比317

5.6 束管优值及铯束频标的短期频率稳定度318

5.7 铯束频标的准确度323

5.7.1 由磁场引起的频移及其误差323

5.7.2 多普勒效应引起的频移327

5.5.3 与辐射场有关的频移346

5.7.4 频率牵引效应350

5.7.5 伺服电路不完善引起的频率误差351

5.8.1 铯束频标发展近况355

5.7.6 铯束频标准确度现状355

5.8 铯束频标进展及其它束型频标355

5.8.2 其它原子及分子束频标360

参考文献364

第六章非自激型光抽运气泡式原子频标366

6.1 非自激型光抽运气泡式原子频标的结构366

6.2 量子物理部分的基本原理367

6.2.1 37Rb原子的能级367

6.2.2 光抽运原理370

6.2.3 光检测的基本原理375

6.2.4 吸收泡中缓冲气体的作用377

6.2.4 粒子数方程及简化的三能级模型379

6.3 产生频移的几种因素383

6.3.1 缓冲气体引起的碰撞频移384

6.3.2 抽运光引起的光频移386

6.4.1 量子物理部分的结构390

6.4 量子物理部分的结构与调整390

6.4.2 量子部分的调整393

6.5 关于影响87Rb原子频标性能的几个问题的讨论395

6.5.1 准确度问题395

6.5.2 光频栘问题396

6.5.3 微波功率频移问题400

6.5.4 吸收泡内微弱的化学和物理作用引起的频移问题401

参考文献402

第七章微波激射器频标403

7.1 氢激射器的工作原理和基本结构403

7.1.1 氢原子基态超精细结构能级和跃迁403

7.1.2 氢激射器的简单工作原理405

7.1.3 氢激射器的典型结构406

7.2 氢原子的选态和聚焦410

7.2.1 基态氢原子的有效磁矩410

7.2.2 聚焦磁场412

7.2.3 磁场中氢原子的运动轨迹414

7.2.4 磁铁最大截获角δo416

7.2.5 原子聚焦条件417

7.2.6 聚焦束强419

7.3 原子贮存和贮存泡中的弛豫过程421

7.3.1 贮存泡的作用和激活原子的辐射寿命421

7.3.2 贮存时间423

7.3.3 泡壁碰撞424

7.3.4 磁弛豫425

7.3.5 自旋交换弛豫427

7.4 谐振腔及其有关问题427

7.4.1 贮存泡的电磁场性能要求428

7.4.2 谐振腔429

7.4.3 谐振腔的温度补偿431

7.4.4 C场线圈和磁屏蔽432

7.5.1 受激发射功率434

7.5 振荡条件和输出功率434

7.5.2 束流的振荡阈值435

7.5.3 输出功率436

7.5.4 弛豫对振荡条件和输出功率的影响437

7.6 氢激射器的振荡频率和频移的修正441

7.6.1 泡壁频移441

7.6.2 多普勒效应445

7.6.3 腔牵引效应和谐振腔的自动调谐446

7.6.4 自旋交换碰撞频移448

7.6.5 塞曼频移450

7.6.6 氢激射器的频率准确度452

7.7 氢原子钟的结构和性能454

7.7.1 激射振荡的观察454

7.7.2 氢原子钟的构成455

7.7.3 氢原子钟的频率稳定度457

7.7.5 激射频标的新发展461

7.7.4 氢原子钟的现状和应用461

7.8 氨分子激射振荡器466

7.8.1 氨分子反演能级466

7.8.2 氨分子振荡器的结构和振荡条件467

7.8.3 氨激射器的性能470

7.9 光抽运铷激射器473

7.9.1 基本结构473

7.9.2 强光抽运与振荡条件475

7.9.3 振荡特性477

7.9.4 铷激射器的现状和应用480

参考文献481

第八章光频标及一些新频标的设想486

8.1 光频标的一般问题486

8.1.1 光频标的用途486

8.1.2 实现光频标的基本要求489

8.1.3 对参考谱线的要求490

8.2.1 气体激光器的输出频率492

8.2 激光器稳频原理492

8.2.2 影响激光频率稳定的因素494

8.2.3 激光器稳频原理497

8.2.4 激光稳频方法概述501

8.3 兰姆凹陷与饱和吸收原理503

8.3.1 兰姆凹陷现象及其稳频503

8.3.2 非均匀增宽线的饱和效应505

8.3.3 饱和吸收现象及其探测510

8.3.4 饱和吸收稳频516

8.4 饱和吸收稳频激光器519

8.4.1 甲烷饱和吸收稳频的氦氖激光器519

8.4.2 碘分子饱和吸收稳频的氦氖激光器526

8.4.3 碘分子饱和吸收稳频的氩离子激光器532

8.4.4 饱和吸收稳频的二氧化碳激光器534

8.4.5 其它饱和吸收体系536

8.5.1 双光子吸收538

8.5 取得极窄稳定谱线的几种新方法538

8.5.2 光学Ramsey花样541

8.5.3 离子贮存技术545

8.5.4 激光减速和激光囚禁552

8.6 光频测量简述556

8.6.1 光频测量和变频元件556

8.6.2 光频频率综合链560

8.6.3 几种典型的光频测量链563

8.6.4 光频分子钟569

参考文献570

附录A 常用物理常数表575

附录B 计量名词的词头577

附录C 国际单位制与高斯单位制中主要电磁学公式对照和若干量的换算578

附录D 几种典型商品频标的技术指标580

索引582