激光冷却

激光冷却(laser cooling)

利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温原子的高新技术。这一重要技术早期的主要目的是为了精确测量各种原子参数，用于高分辨率激光光谱和超高精度的量子频标(原子钟)，后来却成为实现原子玻色-爱因斯坦凝聚的关键实验方法。虽然早在20世纪初人们就注意到光对原子有辐射压力作用，只是在激光器发明之后，才发展了利用光压改变原子速度的技术。人们发现，当原子在频率略低于原子跃迁能级差且相向传播的一对激光束中运动时，由于多普勒效应，原子倾向于吸收与原子运动方向相反的光子，而对与其相同方向行进的光子吸收几率较小;吸收后的光子将各向同性地自发辐射。平均地看来，两束激光的净作用是产生一个与原子运动方向相反的阻尼力，从而使原子的运动减缓(即冷却下来)。1985年美国国家标准与技术研究院的菲利浦斯(willam D.Phillips)和斯坦福大学的朱檬文(Steven Chu)首先实现了激光冷却原子的实验，并得到了极低温度(24μK)的钠原子气体。他们进一步用三维激光束形成磁光讲将原子囚禁在一个空间的小区域中加以冷却，获得了更低温度的"光学粘胶"。之后，许多激光冷却的新方法不断涌现，其中较著名的有"速度选择相干布居囚禁"和"拉曼冷却"，前者由法国巴黎高等师范学院的柯亨-达诺基(Claud Cohen-Tannodji)提出，后者由朱模文提出，他们利用这种技术分别获得了低于光子反冲极限的极低温度。此后，人们还发展了磁场和激光相结合的一系列冷却技术，其中包括偏振梯度冷却、磁感应冷却等等。朱模文、柯亨-达诺基和菲利浦斯三人也因此而获得了1997年诺贝尔物理学奖。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、高分辨率光谱以及光和物质的相互作用的基础研究等等。

激光制冷

大家都知道激光有亮度高的特点,利用这个特点可以在极短的时间内在极小的范围内使被激光照射的物体接受到极高的能量.用这种技术可以进行金属焊接和施行人体手术等.

1995年朱棣文等利用激光冷却的方法获得目前为止实验室内达到的最低温度，即2.4x10^(-11)开尔文，这已非常接近绝对零度了，但永远达不到0K。

激光冷却技术的原理可以用右图说明.图中激光束a和激光束b相向传播,光的频率相同,都略低于原子吸收光谱线的中心频率,即比原子的共振吸收频率低一些.现在考虑一个往右方运动的原子A,这个原子是迎着激光束b运动的,根据多普勒效应,这个原子感受到的激光束b的频率升高,即激光束b的频率进一步接近了原子的共振吸收峰值的位置.原子从激光束b吸收光子的几率增大.这个原子的运动方向和激光束a的传播方向相同,所以它感受到激光束a的频率减小,根据多普勒效应,这个原子感受到的激光束a的频率降低,即激光束a的频率进一步远离了原子的共振吸收峰值的位置,原子从激光束a吸收光子的几率减小.着意味着原子A将受到把它往左推的作用力,阻止它往右运动,即原子A的速度减慢.同样,图中向左运动的原子B将受到激光束a的推力,阻止它向左运动,运动速度也减慢.那么,用上下,左右,前后三对这样的激光束,就可以让朝各个方向运动的原子都减慢运动速度.而物体的温度正是由物体分子平均动能的标志,所以这种方法能够达到制冷的目的.目前,用这个办法已经可以把原子冷却到微开.