激光冷却word版本.ppt

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1、激光冷却 我们知道声波是据有多普勒效应的，当声源在靠近我们运动时我们听见声音的音调会升高，而当声源在远离我们运动时你所听见声音的音调就会降低。光的多普勒效应 这是由于声波在不同的方向运动时频率发生改变引起的。同样，在光波中也有这样的的规律，只是在我们日常生活中很难发现这个规律。如果人的眼睛对光很敏感的话，假如现在公路上有一辆高档的跑车，我们可以观测到，当跑车快速向我们驶来时它的颜色会偏向蓝色 而当跑车快速驶我们而去的时候他的颜色就会偏向红色。这个便是我们经常所提到的蓝移和红移，这个在天体物理中是一个很重要的物理观测量。天体物理学家就是根据红移推测出宇宙是由一个大爆炸开始的。光子的动量：光压我们

2、知道光子的静质量 其能量也为0，其实我们知道，光子是不可能在静止情况下存在的。对于非静止的光子我们知道它的能量是与它的频率 成正比的其值光与物质发生作用是以光子的形式进行的，当光打在物质表面就会对物质表面产生光压，从而将能量传递给物质，这个最典型的例子就是人们在太空中为飞船或者太空站提供能源而制作的太阳帆，太阳帆便可以将照射在它表面上的太阳光转化为电能供给太空站使用。原子能量的量子化我们由原子物理学中的知识知道，原子的能级并不是连续的，而是离散的而且其能级也是比较复杂的，这里我们只去考虑主量子数对原子能及的影响我们想让一个原子的总能量升高就必须让原子的能级发生跃迁。假设相邻两个能级之间的能量为

3、 我们如果用频率为 的光波去照射它，则要使原子能及发生跃迁则必须满足 光子基态电子激发态电子这个也就是说想让一个原子跃迁，则给它供应的能量必须是两个能及之间的差值。如果这个能量比它小的话原子是无法跃迁的。而且我们又知道，当原子由基态跃迁到激发态其动量是减小的。激光制冷原理由前面三部分知识我们可以总结出激光制冷的一些可行的方法。一，首先我们需要一台稳定发光的激光器并且控制它的发光频率略小于原子跃迁所需的最小频率。二，我们知道原子在一个空间内发生着布朗 运动，各个原子运动的方向也是不确定的，因此我们可以利用这个规律。我们保持激光器发出的光子沿着固定的一个方向不发生变化，这样当光子与原子反向运动时，

4、由于光的多普勒效应，原子接收到光子的频率会进一步减小，光子子不会被原子吸收，原子不发生跃迁，动量保持不变。而当光子与原子相向运动时原子接收到光子的频率则会增大，如果我们将激光器的发光频率控制的恰当的话，光子就会刚好被原子吸收，从而发生跃迁，进一步动量减小，温度下降。这个过成可以用下面的框图表示出来。用激光束照射向各个方向上的原子光子频率减小原子与光子反向运动光子频率增大原子与光子相向运动光子不被吸收原子动量减小被冷却原子动量不变光子被吸收多普勒效应而其动量的减小主要表现在原子速度的减小其速改变量为 这里我们还应该考虑到原子的自发辐射，当原子处于激发态时又会自发的向外释放光子而回到初态，进而动量

5、增加温度升高，但是我们知道，自发辐射方向是不确定的而它所吸收的光子方向是确定的，因此多次平均下来原子的温度还是降低的。实际上一般原子1s内就可以吸收上千万个光子，对冷却钠原子的波长为589nm的共振光而言这种减速效果相当于重力加速度g的10万倍。利用这种方法可以在短时间内对原子进行冷却。由于这种方法用到了光的多普勒效应，因此称作“多普勒冷却”由于原子的运动是三维的因此在实际操作中用到的是三个相互正交的激光器同时发光对原子进行冷却的。又由于入射光的谱线有一定的自然增宽，因此对原子的冷却也存在一定的限度。例如波长为589nm光波冷却钠原子的极限为240K；利用波长为852nm光波冷却铯原子的极限为

6、124K，但研究用其他方法得到了更低的温度。有关人员在这方面的贡献1995年达偌基小组把铯原子冷却到2.8nK1985年，华裔科学家朱棣文和他的同事在美国新泽西州荷尔德尔（Holmdel）的贝尔实验室进一步用两两相对互相垂直的六束激光使原子减速，其被称之为“光学粘团”。聚集了大量的冷却下来的原子，组成了肉眼看去像是豌豆大小的发光的气团。但这一现象并未维持多久，因为其并未使原子陷俘。后来他又采用“原子阱”将原子在坑内存起来，一种叫做“磁阱”的原子阱曾俘获到 个原子，持续12分钟。除了磁阱以外还有光阱，以及将两者结合起来的磁光阱，都有着很重要的应用。1997年12月10日朱棣文获得了诺贝尔物理学奖

7、，是第五位获得诺贝尔奖的华人。激光制冷的应用激光制冷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)，后来成为实现原子玻色-爱因斯坦凝聚的关键实验方法其还应用在原子光学、原子刻蚀、原子钟、光学晶格、光镊子、玻色-爱因斯坦凝聚、费米子凝聚态、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。还有最近的超冷分子，其为“量子计算机”的制造提供了可能性依据。德国波恩大学物理学家应用激光冷却技术实现了光子的高密度集中，这一技术有望提高太阳能电池的效率，使其在阴天也能高效工作。美国Laser Research Optics公司推出具有超低吸收性能的冷切割CO2激光器镜头，与标准镜头相比，这些镜头的运行温度更低，能有效避免热损伤，提供良好的焦距稳定性此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢