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激光冷却与多普勒原理 　　摘 要：文章介绍了激光冷却中最基本的机制――多普勒冷却，分为基本原理、问题克服和前景展望三部分。首先从理论方面阐述基本原理，然后针对存在的两个问题进行具体分析，最后介绍多普勒冷却在激光冷却上的发展以及前景 关键词：激光冷却；多普勒；分析 引言 1960年一种神奇的光诞生了，它就是激光。激光的英文名称是 Laser，它是英语短语Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation意思是 “受激发射的辐射光放大” 因此简称激光。它一出现就创造了许多奇迹，真可谓“一鸣惊人”。 1962年激光测出了地球与月球的精确距离。1963年，一位名叫弗林克的医生利用激光成功地做了视网膜手术，整个手术时间才几千分之一秒，病人甚至不需要麻醉，也不会感到痛苦 大家如果看过《珊瑚岛上的死光》这部电影，就会对里面这一幕印象深刻：青年科学家陈天虹为实现教授遗愿携样品驾机逃走，途中被击落。当他落入水中，碰到鲨鱼时，一道火光闪过，鲨鱼死去，原来是小岛上的马太博士用十年奋斗制成的激光器，救了天虹 说起激光，给人们的印象往往是激光武器，或者能量极高的光束，对准目标，射击，百打百中。除此之外，激光还应用在各行各业上，及其广泛，有激光电影、激光手术、激光针灸、激光裁剪、激光焊接、激光唱片、激光测距仪、激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光炮等等 但是激光还能用来冷却原子，达到极其接近0K的温度，这简直是难以想象的 激光冷却，作为一个相对新兴的学科，正在不断快速地发展。激光冷却，这个概念于1962年由苏联学者提出雏形，1975年汉斯、肖洛、瓦恩兰和德默尔特各自独立地提出了激光冷却的方案，并在1985年由朱棣文小组初步实现 激光为什么能制冷呢？原来，物体的原子总是在不停地做无规则运动：表示物体温度高低的热运动。当原子运动越激烈的时候，物体温度就越高；反之，温度就越低。所以，只要降低原子运动速度，就能降低物体温度。激光制冷的原理就是利用大量的光子阻碍原子运动，使其减速，从而降低了物体温度 近几十年来，已经有三次诺贝尔物理学奖与激光冷却相关，分别是1997年朱棣文等人对激光冷却和陷俘原子的突出贡献；2001年实现稀薄气体中的BEC（玻色-爱因斯坦凝聚态）；2005年量子光学的基本理论和精密光谱测量。后两者均是建立在激光冷却与陷俘原子的基础之上的，可见激光冷却发展之迅猛 如今，全世界从事激光冷却原子的实验室已经有140家以上[1]，网上“laser cooling”检索结果也有几百万条记录，说明这个领域已成为一大热门。激光冷却有许多应用，如： 原子光学、原子刻蚀、 原子钟、光学晶格、光镊子、玻色-爱因斯坦凝聚、 原子激光、高分辨率等基础研究，还可以用这种技术进行金属焊接和施行人体手术等 1 多普勒冷却理论原理 从20世纪七、八十年代几十年以来，一种叫做多普勒冷却的技术一直在用激光冷却材料，利用光子使原子减速。由于激光冷却涉及非常广的量子物理方面的知识，本文仅考虑最基础的多普勒冷却机制 多普勒冷却机制是基于原子在光场中运动时所产生的多普勒效应基础之上。假定一个原子处于两个相向传播的激光行波场中，每一行波场均有一个平均辐射压力作用于原子上。若激光频率稍低于原子共振频率，当原子不动时（实际不可能），原子不能吸收激光，两个行波场作用于原子上的力大小相等，方向相反，原子受的合力为零。但当原子运动时，由于多普勒效应，将产生多普勒频移。对于与原子运动方向相反传播的光束，原子接收到的频率就更接近于共振频率， 吸收光子的概率就大，因而光束作用于原子上的力大一些；而对于与原子运动方向同向传播的光束，由于远离共频率，原子吸收光子的概率小，光束作用于原子的力也小。[2]由此，原子仅吸收迎面而来的光子，通过动量守恒而减速，但是辐射光子时是沿各个方向辐射，并未增速，多次吸收与辐射光子之后，原子速度就会减慢。通过线性动量共振交换，运动原子就会受到一个与其运动方向相反的阻尼力的作用，原子运动速度减慢（受力图见图1）。由图1可见无论原子速度如何，都受一个与其运动反向的力使其减速。而根据热力学定律，原子动能正比于温度，一维上有■mv2=■kT（k为玻尔兹曼常数）。原子运动速度减慢了，原子气体的温度就下降，即达到了冷却的目的 上述情况是一维上的，扩展到三维即得到了光学黏团装置（见图2）。原子在其中与光子不断发生动量交换，纠缠在一起，但是却不能逃脱，形成类似于团形态的物体 2 问题克服 人们真正观察到激光冷却原子，已经是“激光冷却”概念提出十几年之后了，因为在实验中主要有两方面问题要解决 2.1 连续补偿多普勒频移 原子吸收激光频率v=v0（1-■），v0为原