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(jī)制——多普勒冷卻，分為基本原理、問(wèn)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(duì)存在的兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)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(yǔ)短語(yǔ)Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation意思是 “受激發(fā)射的輻射光放大” 因此簡(jiǎn)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(cè)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(gè)手術(shù)時(shí)間才幾千分之一秒，病人甚至不需要麻醉，也不會(huì)感到痛苦。

大家如果看過(guò)《珊瑚島上的死光》這部電影，就會(huì)對(duì)里面這一幕印象深刻：青年科學(xué)家陳天虹為實(shí)現(xiàn)教授遺愿攜樣品駕機(jī)逃走，途中被擊落。當(dāng)他落入水中，碰到鯊魚(yú)時(shí)，一道火光閃過(guò)，鯊魚(yú)死去，原來(lái)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(shuō)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(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，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(cè)距儀、激光炸彈、激光雷達(dá)、激光槍、激光炮等等。

但是激光還能用來(lái)冷卻原子，達(dá)到極其接近0K的溫度，這簡(jiǎn)直是難以想象的。

激光冷卻，作為一個(gè)相對(duì)新興的學(xué)科，正在不斷快速地發(fā)展。激光冷卻，這個(gè)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(dú)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(shí)現(xiàn)。

激光為什么能制冷呢？原來(lái)，物體的原子總是在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)：表示物體溫度高低的熱運(yùn)動(dòng)。當(dāng)原子運(yùn)動(dòng)越激烈的時(shí)候，物體溫度就越高；反之，溫度就越低。所以，只要降低原子運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，使其減速，從而降低了物體溫度。

近幾十年來(lái)，已經(jīng)有三次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)與激光冷卻相關(guān)，分別是1997年朱棣文等人對(duì)激光冷卻和陷俘原子的突出貢獻(xiàn)；2001年實(shí)現(xiàn)稀薄氣體中的BEC（玻色-愛(ài)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(cè)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(jiàn)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(shí)驗(yàn)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(wàn)條記錄，說(shuō)明這個(gè)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(ài)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(jìn)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(jì)七、八十年代幾十年以來(lái)，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(shí)，本文僅考慮最基礎(chǔ)的多普勒冷卻機(jī)制。

多普勒冷卻機(jī)制是基于原子在光場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)基礎(chǔ)之上。假定一個(gè)原子處于兩個(gè)相向傳播的激光行波場(chǎng)中，每一行波場(chǎng)均有一個(gè)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(dòng)時(shí)（實(shí)際不可能），原子不能吸收激光，兩個(gè)行波場(chǎng)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(yùn)動(dòng)時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，將產(chǎn)生多普勒頻移。對(duì)于與原子運(yùn)動(dòng)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(duì)于與原子運(yùn)動(dòng)方向同向傳播的光束，由于遠(yuǎn)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(lái)的光子，通過(guò)動(dòng)量守恒而減速，但是輻射光子時(shí)是沿各個(gè)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(huì)減慢。通過(guò)線性動(dòng)量共振交換，運(yùn)動(dòng)原子就會(huì)受到一個(gè)與其運(yùn)動(dòng)方向相反的阻尼力的作用，原子運(yùn)動(dòng)速度減慢（受力圖見(jiàn)圖1）。由圖1可見(jiàn)無(wú)論原子速度如何，都受一個(gè)與其運(yùn)動(dòng)反向的力使其減速。而根據(jù)熱力學(xué)定律，原子動(dòng)能正比于溫度，一維上有■mv2=■kT（k為玻爾茲曼常數(shù)）。原子運(yùn)動(dòng)速度減慢了，原子氣體的溫度就下降，即達(dá)到了冷卻的目的。

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

2 問(wèn)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?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中主要有兩方面問(wèn)題要解決。

2.1 連續(xù)補(bǔ)償多普勒頻移

原子吸收激光頻率v=v0（1-■），v0為原子靜止時(shí)的共振頻率，v為原子運(yùn)動(dòng)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(lái)適應(yīng)原子的減速過(guò)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(duì)激光器要求非常高。

同時(shí)，因?yàn)榧す鈷呙枋侵芷谛缘?，一個(gè)掃描周期產(chǎn)生一團(tuán)減速原子束，減速原子呈脈沖式，并非連續(xù)的，故在某些實(shí)驗(yàn)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(guò)改變?cè)庸舱耦l率v0來(lái)補(bǔ)償多普勒頻移?？梢岳迷谠邮鴾p速途徑上設(shè)置隨空間變化的電磁場(chǎng)，利用變化的塞曼或斯塔克效應(yīng)隨時(shí)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(shí)過(guò)多過(guò)于深?yuàn)W，具體細(xì)節(jié)在此不再詳述。

2.2 克服光抽運(yùn)效應(yīng)

實(shí)際上用于激光減速的原子，基態(tài)具有多個(gè)能級(jí)（如超精細(xì)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(shí)可能落到其他能級(jí)，這時(shí)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(duì)此通常采用循環(huán)躍遷光減速和反抽運(yùn)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(guò)自發(fā)輻射回到基態(tài)時(shí)只能落到原來(lái)的狀態(tài)。這樣，原子只能在上下兩能級(jí)間周而復(fù)始地躍遷，構(gòu)成一準(zhǔn)二能級(jí)系統(tǒng)，具體方法有單色窄帶激光的能級(jí)選擇激發(fā)法和偏振光激發(fā)法。

一般來(lái)說(shuō)，還需要反抽運(yùn)激光，起“撿漏”的作用，把因光抽運(yùn)“漏走”的原子重新?lián)旎氐綔p速過(guò)程中來(lái)。這樣的激光必不可少，因?yàn)樵蛹ぐl(fā)次數(shù)達(dá)幾百萬(wàn)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(huì)變得很少。另外，要注意反抽運(yùn)激光也要補(bǔ)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(tuán)將鈉原子冷卻到了240μK左右[5]，恰好為理論計(jì)算所得多普勒冷卻極限，因此獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，將激光冷卻帶進(jìn)了大家的視野中。

多普勒冷卻是激光冷卻中最基本的機(jī)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(shí)驗(yàn)成果也已經(jīng)打破了多普勒冷卻極限，最低可達(dá)10μK的量級(jí)，也采用一種新的機(jī)制來(lái)解釋：偏振梯度冷卻機(jī)制。目前科學(xué)家正在挑戰(zhàn)光子反沖極限（原子放出一個(gè)光子得到的反沖動(dòng)量），量級(jí)在2μK左右。

激光冷卻在物理量精密測(cè)量，原子操縱，BEC實(shí)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(gè)充滿潛力的應(yīng)用領(lǐng)域是，我們可以使用激光來(lái)冷卻計(jì)算機(jī)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(duì)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?yàn)槲覀円郧皬膩?lái)沒(méi)有做過(guò)類似的事情，科學(xué)家們可能需要一段時(shí)間來(lái)尋找反向使用激光進(jìn)行冷卻的最佳方式。

參考文獻(xiàn)

[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(jìn)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。