激光冷卻法原理

1、激光冷卻法原理激光冷卻法的基本原理是九莊在光的傳播路徑上會對物質(zhì)產(chǎn)生一定壓力稱之為光壓在進(jìn)行冷卻的時(shí)候用多束激光從不同方向照射目標(biāo)體使其粒子受到光壓的作用以阻止其熱振動以達(dá)到冷卻的效果，激光冷卻法是現(xiàn)在最先進(jìn)的冷卻方法之一，可以打到非常接近絕對零度的超低溫。眾所周知，激光是高功率的光束，它能產(chǎn)生高溫，因而有激光手術(shù)、激光焊接等應(yīng)用。但是激光居然還能用來冷卻，而且可以冷卻到絕對溫度百萬分之一度以下，卻似乎有點(diǎn)不太好理解。激光冷卻涉及到多個物理原理，概括起來主要有光的多普勒效應(yīng)、原子能級量子化、光具有動量。另外，激光的高度單色性和可調(diào)激光技術(shù)也非常重要。光的多普勒效應(yīng)是指,如果你迎著光源的方向運(yùn)動

2、，觀察到光的頻率將會增加；如果背離光源方向運(yùn)動，觀察到的光的頻率將會降低。原子可以吸收電磁輻射的能量,使其本身的能量升高；也可以釋放出電磁輻射，同時(shí)自身的能量降低。原子的能級量子化，是指原子只能吸收和放出某些特定頻率的電磁波。按量子理論，電磁波的能量只能以某種不可分割的單位-能量子-與別的物質(zhì)相作用。而每一份能量子所含的能量正比電磁波的頻率，所以，只吸收和釋放某些特定頻率的電磁波，就意味著原子的能量只能取某些特定的值，故稱為能級量子化。光與其它實(shí)物粒子一樣，也具有動量。當(dāng)一個原子吸收一份電磁波的能量子（即光子）時(shí)，它同時(shí)也獲得了一定的動量。光的動量與光的波長成反比，方向與光的傳播方向相一致?，F(xiàn)

3、在假設(shè)某種原子只吸收頻率為f0的電磁波。如果我們把激光的頻率調(diào)在略小于f0的頻率上（可調(diào)激光技術(shù)可以讓我們精確地調(diào)節(jié)所需激光的頻率），并把這樣一束激光射在由那種原子組成的樣品上，將會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？我們知道，在高于絕對零度的任何溫度下，組成樣品的原子都在作無規(guī)則的熱運(yùn)動。當(dāng)其中某個原子的運(yùn)動方向指向激光的光源時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，在這個原子看來激光的頻率會略高一些。因?yàn)槲覀儼鸭す獾念l率調(diào)在略低于f0,多普勒效應(yīng)可以使得飛向光源方向的原子看到的激光頻率正好等于f0o這樣，這個原子就有可能吸收激光的能量。在它吸收能量時(shí)，它同時(shí)也獲得了動量。由于激光傳播的方向與原子運(yùn)動的方向相反，獲得的動量將使原子的

4、運(yùn)動速度變慢。如果另一個原子的運(yùn)動方向背離激光的光源時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，這個原子看到的激光頻率將降低，這樣將更加遠(yuǎn)離它能吸收的電磁波的頻率，所以這個原子不會吸收激光的能量，也不會從激光那里獲得使它加速的動量。如果我們多設(shè)置幾個激光源，從多個方向照射那個樣品。那么按上面的分析，無論樣品的原子往哪個方向運(yùn)動，它都只吸收迎面而來的激光，因而其運(yùn)動速度總是被降低。這些原子就好象處在粘稠的糖漿中，它的運(yùn)動一直受到阻撓，直到幾乎完全停止。所以激光冷卻裝置又被稱為“光學(xué)糖漿”。這樣，在激光的照射下，組成樣品的原子的熱運(yùn)動速度不斷降低，它的溫度也就不斷地降低。那么用這種辦法有沒有可能達(dá)到絕對零度呢？答案是否定

5、的。因?yàn)闃悠吩釉谖樟斯庾又?，其自身能級將升高，因而并不穩(wěn)定。它會再次釋放光子，使自己處于更穩(wěn)定的狀態(tài)。釋放光子時(shí)，它也會失去一部分動量，從而產(chǎn)生相反方向的加速。釋放光子的方向是隨機(jī)的，所以在長期平均來看，它并不產(chǎn)生凈的加速。但是它畢竟使原子獲得了隨機(jī)的瞬間速度，這本身也是一種熱運(yùn)動，所以要達(dá)到絕對零度是不可能的。只是這種熱運(yùn)動的幅度很小，其對應(yīng)的溫度對大多數(shù)原子來講在千分之一開以下。激光制冷大家都知道激光有亮度高的特點(diǎn)，利用這個特點(diǎn)可以在極短的時(shí)間內(nèi)在極小的范圍內(nèi)使被激光照射的物體接受到極高的能量.用這種技術(shù)可以進(jìn)行金屬焊接和施行人體手術(shù)等.而現(xiàn)在科學(xué)家們還能利用激光制冷，并把研究對象的

6、溫度降低到只有幾微開（10-6K）,已經(jīng)非常接近絕對零度了.激光冷卻技術(shù)的原理可以用右圖說明.圖中激光束a和激光束b相向傳播，光的頻率相同，都略低于原子吸收光譜線的中心頻率，即比原子的共振吸收頻率低一些.現(xiàn)在考慮一個往右方運(yùn)動的原子A,這個原子是迎著激光束b運(yùn)動的，根據(jù)多普勒效應(yīng)，這個原子感受到的激光束b的頻率升高，即激光束b的頻率進(jìn)一步接近了原子的共振吸收峰值的位置.原子從激光束b吸收光子的幾率增大.這個原子的運(yùn)動方向和激光束a的傳播方向相同，所以它感受到激光束a的頻率減小，根據(jù)多普勒效應(yīng)，這個原子感受到的激光束a的頻率降低，即激光束a的頻率進(jìn)一步遠(yuǎn)離了原子的共振吸收峰值的位置，原子從激光束

7、a吸收光子的幾率減小.著意味著原子A將受到把它往左推的作用力，阻止它往右運(yùn)動，即原子A的速度減慢.同樣，圖中向左運(yùn)動的原子B將受到激光束a的推力，阻止它向左運(yùn)動，運(yùn)動速度也減慢.那么，用上下，左右，前后三對這樣的激光束，就可以讓朝各個方向運(yùn)動的原子都減慢運(yùn)動速度.而物體的溫度正是由物體分子平均動能的標(biāo)志,所以這種方法能夠達(dá)到制冷的目的.目前，用這個辦法已經(jīng)可以把原子冷卻到微開.激光冷卻時(shí)利用激光和原子的相互作用減速原子運(yùn)動以獲得超低溫原子的高新技術(shù)。主要應(yīng)用這一技術(shù)早期的主要目的是為了精確測量各種原子參數(shù)，用于高分辨率激光光譜和超高精度的量子頻標(biāo)(原子鐘)，后來成為實(shí)現(xiàn)原子玻色-愛因斯坦凝聚的

8、關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)方法。雖然早在20世紀(jì)初人們就注意到光對原子有輻射壓力作用，只是在激光器發(fā)明之后，才發(fā)展了利用光壓改變原子速度的技術(shù)。激光冷卻有許多應(yīng)用，如：原子光學(xué)、原子刻蝕、原子鐘、光學(xué)晶格、光銀子、玻色-愛因斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光譜以及光和物質(zhì)的相互作用的基礎(chǔ)研究等理論發(fā)展人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原子在頻率略低于原子躍遷能級差且相向傳播的一對激光束中運(yùn)動時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，原子傾向于吸收與原子運(yùn)動方向相反的光子，而對與其相同方向行進(jìn)的光子吸收幾率較??；吸收后的光子將各向同性地自發(fā)輻射。平均地看來，兩束激光的凈作用是產(chǎn)生一個與原子運(yùn)動方向相反的阻尼力，從而使原子的運(yùn)動減緩(即冷卻下來)。1985年美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的菲利浦斯(willamD.Phillips)和斯坦福大學(xué)的朱棣文(StevenChu)首先實(shí)現(xiàn)了激光冷卻原子的實(shí)驗(yàn)，并得到了極低溫度(24NK)的鈉原子氣體。他們進(jìn)一步用三維激光束形成磁光阱將原子囚禁在一個空間的小區(qū)域中加以冷卻，獲得了更低溫度的“光學(xué)粘膠”。之后，許多激光冷卻的新方法不斷涌現(xiàn)，其中較著名的有"速度選擇相干布居囚禁"和"拉曼冷卻"，前者由法國巴黎高等師范學(xué)院的柯亨-達(dá)諾基(Clau