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        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(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(jī)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(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。

        但是激光還能用來冷卻原子,達(dá)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(xiàn);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(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,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(jī)制。

        多普勒冷卻機(jī)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(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(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(tuán)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(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(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(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,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(xì)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(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(zhǔn)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(dá)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(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(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,最新實驗成果也已經(jīng)打破了多普勒冷卻極限,最低可達(dá)10μK的量級,也采用一種新的機(jī)制來解釋: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(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(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。

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