激光冷卻與多普勒原理

摘 要：文章介紹了激光冷卻中最基本的機制——多普勒冷卻，分為基本原理、問題克服和前景展望三部分。首先從理論方面闡述基本原理，然后針對存在的兩個問題進行具體分析，最后介紹多普勒冷卻在激光冷卻上的發(fā)展以及前景。

關(guān)鍵詞：激光冷卻；多普勒；分析

引言

1960年一種神奇的光誕生了，它就是激光。激光的英文名稱是 Laser，它是英語短語Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation意思是 “受激發(fā)射的輻射光放大” 因此簡稱激光。它一出現(xiàn)就創(chuàng)造了許多奇跡，真可謂“一鳴驚人”。 1962年激光測出了地球與月球的精確距離。1963年，一位名叫弗林克的醫(yī)生利用激光成功地做了視網(wǎng)膜手術(shù)，整個手術(shù)時間才幾千分之一秒，病人甚至不需要麻醉，也不會感到痛苦。

大家如果看過《珊瑚島上的死光》這部電影，就會對里面這一幕印象深刻：青年科學(xué)家陳天虹為實現(xiàn)教授遺愿攜樣品駕機逃走，途中被擊落。當(dāng)他落入水中，碰到鯊魚時，一道火光閃過，鯊魚死去，原來是小島上的馬太博士用十年奮斗制成的激光器，救了天虹。

說起激光，給人們的印象往往是激光武器，或者能量極高的光束，對準目標，射擊，百打百中。除此之外，激光還應(yīng)用在各行各業(yè)上，及其廣泛，有激光電影、激光手術(shù)、激光針灸、激光裁剪、激光焊接、激光唱片、激光測距儀、激光炸彈、激光雷達、激光槍、激光炮等等。

但是激光還能用來冷卻原子，達到極其接近0K的溫度，這簡直是難以想象的。

激光冷卻，作為一個相對新興的學(xué)科，正在不斷快速地發(fā)展。激光冷卻，這個概念于1962年由蘇聯(lián)學(xué)者提出雛形，1975年漢斯、肖洛、瓦恩蘭和德默爾特各自獨立地提出了激光冷卻的方案，并在1985年由朱棣文小組初步實現(xiàn)。

激光為什么能制冷呢？原來，物體的原子總是在不停地做無規(guī)則運動：表示物體溫度高低的熱運動。當(dāng)原子運動越激烈的時候，物體溫度就越高；反之，溫度就越低。所以，只要降低原子運動速度，就能降低物體溫度。激光制冷的原理就是利用大量的光子阻礙原子運動，使其減速，從而降低了物體溫度。

近幾十年來，已經(jīng)有三次諾貝爾物理學(xué)獎與激光冷卻相關(guān)，分別是1997年朱棣文等人對激光冷卻和陷俘原子的突出貢獻；2001年實現(xiàn)稀薄氣體中的BEC（玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)）；2005年量子光學(xué)的基本理論和精密光譜測量。后兩者均是建立在激光冷卻與陷俘原子的基礎(chǔ)之上的，可見激光冷卻發(fā)展之迅猛。

如今，全世界從事激光冷卻原子的實驗室已經(jīng)有140家以上[1]，網(wǎng)上“l(fā)aser cooling”檢索結(jié)果也有幾百萬條記錄，說明這個領(lǐng)域已成為一大熱門。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、光鑷子、玻色-愛因斯坦凝聚、 原子激光、高分辨率等基礎(chǔ)研究，還可以用這種技術(shù)進行金屬焊接和施行人體手術(shù)等。

1 多普勒冷卻理論原理

從20世紀七、八十年代幾十年以來，一種叫做多普勒冷卻的技術(shù)一直在用激光冷卻材料，利用光子使原子減速。由于激光冷卻涉及非常廣的量子物理方面的知識，本文僅考慮最基礎(chǔ)的多普勒冷卻機制。

多普勒冷卻機制是基于原子在光場中運動時所產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)基礎(chǔ)之上。假定一個原子處于兩個相向傳播的激光行波場中，每一行波場均有一個平均輻射壓力作用于原子上。若激光頻率稍低于原子共振頻率，當(dāng)原子不動時（實際不可能），原子不能吸收激光，兩個行波場作用于原子上的力大小相等，方向相反，原子受的合力為零。但當(dāng)原子運動時，由于多普勒效應(yīng)，將產(chǎn)生多普勒頻移。對于與原子運動方向相反傳播的光束，原子接收到的頻率就更接近于共振頻率， 吸收光子的概率就大，因而光束作用于原子上的力大一些；而對于與原子運動方向同向傳播的光束，由于遠離共頻率，原子吸收光子的概率小，光束作用于原子的力也小。[2]由此，原子僅吸收迎面而來的光子，通過動量守恒而減速，但是輻射光子時是沿各個方向輻射，并未增速，多次吸收與輻射光子之后，原子速度就會減慢。通過線性動量共振交換，運動原子就會受到一個與其運動方向相反的阻尼力的作用，原子運動速度減慢（受力圖見圖1）。由圖1可見無論原子速度如何，都受一個與其運動反向的力使其減速。而根據(jù)熱力學(xué)定律，原子動能正比于溫度，一維上有■mv2=■kT（k為玻爾茲曼常數(shù)）。原子運動速度減慢了，原子氣體的溫度就下降，即達到了冷卻的目的。

上述情況是一維上的，擴展到三維即得到了光學(xué)黏團裝置（見圖2）。原子在其中與光子不斷發(fā)生動量交換，糾纏在一起，但是卻不能逃脫，形成類似于團形態(tài)的物體。

2 問題克服

人們真正觀察到激光冷卻原子，已經(jīng)是“激光冷卻”概念提出十幾年之后了，因為在實驗中主要有兩方面問題要解決。

2.1 連續(xù)補償多普勒頻移

原子吸收激光頻率v=v0（1-■），v0為原子靜止時的共振頻率，v為原子運動速度，c為光速。隨著原子的減速，原子共振頻率要不斷變化。

2.1.1 激光頻率掃描法

隨著原子不斷被減速，v不斷減小，由公式可知激光頻率v要隨之不斷增大。激光頻率掃描法，顧名思義，即改變激光頻率來適應(yīng)原子的減速過程，查詢資料知，以鈉原子為例，激光頻率的改變率應(yīng)該在1500MHz/ms左右[3]，是非常高的變化率，對激光器要求非常高。

同時，因為激光掃描是周期性的，一個掃描周期產(chǎn)生一團減速原子束，減速原子呈脈沖式，并非連續(xù)的，故在某些實驗中并不采用此方法。

2.1.2 原子共振頻率變化法

激光頻率保持不變，而通過改變原子共振頻率v0來補償多普勒頻移。可以利用在原子束減速途徑上設(shè)置隨空間變化的電磁場，利用變化的塞曼或斯塔克效應(yīng)隨時調(diào)整，使失諧與原子速度的變化相匹配，是更加常用的方法。由于量子物理的知識過多過于深奧，具體細節(jié)在此不再詳述。

2.2 克服光抽運效應(yīng)

實際上用于激光減速的原子，基態(tài)具有多個能級（如超精細結(jié)構(gòu)）。原子吸收光子減速后，自發(fā)輻射出光子回到基態(tài)時可能落到其他能級，這時原子共振頻率變化，單色性好的激光不能被吸收，即不能被減速。

對此通常采用循環(huán)躍遷光減速和反抽運激光相結(jié)合的方法。[4]

所謂“循環(huán)躍遷”是指，原子在吸收單色共振光上升到激發(fā)態(tài)以后，通過自發(fā)輻射回到基態(tài)時只能落到原來的狀態(tài)。這樣，原子只能在上下兩能級間周而復(fù)始地躍遷，構(gòu)成一準二能級系統(tǒng)，具體方法有單色窄帶激光的能級選擇激發(fā)法和偏振光激發(fā)法。

一般來說，還需要反抽運激光，起“撿漏”的作用，把因光抽運“漏走”的原子重新?lián)旎氐綔p速過程中來。這樣的激光必不可少，因為原子激發(fā)次數(shù)達幾百萬次以上，一旦“漏走”，便不能再次參與減速，所以真正能被減速的原子會變得很少。另外，要注意反抽運激光也要補償多普勒頻移。

3 總結(jié)與展望

朱棣文小組利用光學(xué)黏團將鈉原子冷卻到了240μK左右[5]，恰好為理論計算所得多普勒冷卻極限，因此獲諾貝爾物理學(xué)獎，將激光冷卻帶進了大家的視野中。

多普勒冷卻是激光冷卻中最基本的機制，目前又發(fā)展出了亞多普勒冷卻和反斯托克斯熒光制冷等等，最新實驗成果也已經(jīng)打破了多普勒冷卻極限，最低可達10μK的量級，也采用一種新的機制來解釋：偏振梯度冷卻機制。目前科學(xué)家正在挑戰(zhàn)光子反沖極限（原子放出一個光子得到的反沖動量），量級在2μK左右。

激光冷卻在物理量精密測量，原子操縱，BEC實現(xiàn)方面都起著十分重要的作用，相信它以后能有更加廣闊的前途。

而另一個充滿潛力的應(yīng)用領(lǐng)域是，我們可以使用激光來冷卻計算機內(nèi)部的微處理器，或者任何其他的組成部分，以降低發(fā)熱對性能和硬件壽命的影響。但是，這只是我們現(xiàn)在的一種期望。因為我們以前從來沒有做過類似的事情，科學(xué)家們可能需要一段時間來尋找反向使用激光進行冷卻的最佳方式。

參考文獻

[1]Atom traps worldwide [EB/OL]. http：//www.uibk.ac.at/c/c704/ultracold/atomtraps.html

[2]王育竹，徐震.激光冷卻及其在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用[J].物理學(xué)進展，2005，04：347-350.

[3]王義遒.原子的激光冷卻與陷俘[M].北京：北京大學(xué)出版社，2007：120.

[4]王義遒.原子的激光冷卻與捕陷（I）[J].物理，1990，07：389-394.

[5]Chu S， Hollberg L， Bjorkholm J， et al. Phys. Rev. Lett. ， 1985， 55：4. Lett. ， 1985， 55：4

*通訊作者：馬明星。