氦原子基态的极紫外频率梳计量学

本文报道了一种基于成对放大及非线性上转换至近红外范围频率梳激光脉冲第 15 次谐波的极紫外（XUV）波长频率梳运行方案。继首次实验报告 [Kandula 等，Phys. Rev. Lett. 105, 063001 (2010)] 之后，本文详细回顾了该方案产生的 51 nm 光谱具有完全相位相干性并可应用于精密计量的实验证明。脉冲被用于直接频率梳激发方案，将氦原子从基态激发至 1s4p 和 1s5p 1P_1 态。利用辅助 1064 nm 脉冲进行激光电离以检测激发态布居数，结果产生随频率梳重复率变化的类余弦信号，调制对比度高达 55%。对该梳状结构可见度的分析得出两个上转换频率梳激光脉冲之间的定时抖动估计值为 50 阿秒，这表明向更短波长扩展是可行的。氦计量学研究得出的 1s4p 和 1s5p 1P_1 态激发跃迁频率分别为 5740806993(10) MHz 和 5814248672(6) MHz。这是极紫外波段的首次绝对频率测量，在该无窗电磁谱区域达到了前所未有的精度。根据测得的跃迁频率，推导出了精度提高八倍的 4He 电离能，值为 5945204212(6) MHz。同时，还得到了 4He 基态兰姆位移的新值，为 41247(6) MHz。该实验值与近期理论计算（直至 m\alpha^6 和 m^2/(M\alpha^5) 阶）相符，但精度提高了六倍，从而为束缚双电子系统中的量子电动力学提供了严格的检验。