亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        激光冷卻與多普勒原理

        2016-12-31 00:00:00程麒龍馬明星
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年32期

        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(chēng)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(chēng)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(mén)。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(lèi)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(xún)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?zhuān)浩裉荻壤鋮s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(mǎn)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(lèi)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。

        国产成人亚洲综合无码DVD| 国产精品 无码专区| 无人视频在线观看免费播放影院| 国产欧美日韩在线观看| 中国人妻与老外黑人| 人妻聚色窝窝人体www一区| 欧美精品一区二区性色a+v| 久久99国产亚洲高清观看首页| av在线播放免费观看| 日韩日韩日韩日韩日韩日韩| 国产精品.xx视频.xxtv| 亚洲免费毛片网| 国产午夜免费一区二区三区视频| 国产精品人妻一区二区三区四| 国产精品久久久久免费a∨| 国产精品一区二区三区不卡| 亚洲av成人无网码天堂| 亚洲精品偷拍自综合网| 久久只精品99品免费久23| 国产精品亚洲五月天高清| 亚洲精品一品二品av| 国产一区二区三区成人av| 国产精品久久久久久av| 99精品国产兔费观看久久99| 亚洲αv在线精品糸列| 日本a级黄片免费观看| 一本色道久久88综合日韩精品| 国产精选免在线观看| 加勒比久草免费在线观看 | 日产乱码一二三区别免费l| 樱花草在线播放免费中文| 91孕妇精品一区二区三区| 91青青草在线观看视频| 日韩在线观看入口一二三四| 男人j进女人j啪啪无遮挡| 国产日本在线视频| 中文字幕中文字幕人妻黑丝| 免费a级毛片又大又粗又黑| 欧美激情内射喷水高潮| 亚洲AV秘 无码一区二区久久| 一区二区三区日韩亚洲中文视频|