激光结课论文

1、激光技术与应用课程论文激光冷却技术专 业： 班 级： 姓 名： 学 号：提交日期：激光冷却技术摘要: 作为新技术领域的激光冷却，它是利用激光和原子的相互作用减速原子运动来获得超低温原子的技术。早期用于精确测量各种原子参数，简单叙述了该项技术的工作原理，对于实现玻色爱因斯坦凝聚态有着不可或缺的作用。阐述了激光冷却与多普勒原理，提出了激光冷却在连续补偿多普勒频移和光抽运效应上的问题以及针对这两个问题的具体分析。介绍了该项技术的应用，如目前天宫二号上的空间冷原子钟。最后对该项技术未来的发展做简单的分析。关键词：激光冷却；玻色-爱因斯坦凝聚；原子钟；激光；空间冷原子钟；多普勒原理Abstract: A

2、s a new technology, laser cooling is a technique to obtain ultra low temperature atoms by using laser and atom interaction to slow down atomic motion. In the early stage, it was used to precisely measure various atomic parameters, and the working principle of this technique was briefly described. It

3、 is indispensable for the realization of Bose Einstein condensates. The principle of laser cooling and Doppler is expounded. The problems of laser cooling in continuous compensation of Doppler frequency shift and optical pumping effect are put forward, and the concrete analysis of these two problems

4、 is also presented. The application of this technique, such as the space cold atomic clock in heavenly palace No. two, is introduced. Finally, a brief analysis of the future development of the technology is given.Keywords:Laser Cooling; Bose Einstein Condensates; Atomic Clock;Space Cold Atomic Clock

5、; Doppler Principle; Laser随着现代科学技术的发展，我们的生活逐渐发生着变化，自1960年激光诞生以来伴着激光器的发明越来越多的新技术被发掘出来，在各行各业上，及其广泛，有激光电影、激光手术、激光针灸、激光裁剪、激光焊接、激光唱片、激光测距仪、激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光炮等等。激光还能用来冷却原子，为验证相对论和实现爱因斯坦的科学预言提供了必要的物理手段，同时利用超冷原子气体研制的高稳定度和准确度的原子钟可在更高精确度上测量引力红移、原子结构常数的演化和光的各向异性。不仅如此激光冷却气体原子也是实现玻色-爱因斯坦凝聚必不可少的深度冷却过程。1 激光冷却原理1.1

6、制冷原理物体的原子总是在不停地做无规则运动：表示物体温度高低的热运动。当原子运动越激烈的时候，物体温度就越高；反之，温度就越低。所以，只要降低原子运动速度，就能降低物体温度。激光制冷的原理就是利用大量的光子阻碍原子运动，使其减速，从而降低了物体温度。这种方法目前还只能限于原子级、分子级的范围，还不能冷冻一些大的物体。多普勒冷却是激光冷却的第一个例子，也是最常见的激光制冷方法。1.1.1 多普勒冷却图1 原子受力图多普勒冷却是基于原子在光场中运动时所产生的多普勒效应基础之上。假定一个原子处于两个相向传播的激光行波场中，每一行波场均有一个平均辐射压力作用于原子上。若激光频率稍低于原子共振频率，当原

7、子不动时（实际不可能），原子不能吸收激光，两个行波场作用于原子上的力大小相等，方向相反，原子受的合力为零。但当原子运动时，由于多普勒效应，将产生多普勒频移。对于与原子运动方向相反传播的光束，原子接收到的频率就更接近于共振频率, 吸收光子的概率就大，因而光束作用于原子上的力大一些；而对于与原子运动方向同向传播的光束，由于远离共频率，原子吸收光子的概率小，光束作用于原子的力也小。由此，原子仅吸收迎面而来的光子，通过动量守恒而减速，但是辐射光子时是沿各个方向辐射，并未增速，多次吸收与辐射光子之后，原子速度就会减慢。通过线性动量共振交换，运动原子就会受到一个与其运动方向相反的阻尼力的作用，原子运动速度

8、减慢（受力图见图 1）。由图 1可见无论原子速度如何，都受一个与其运动反向的力使其减速。而根据热力学定律，原子动能正比于温度，一维上有（k 为玻尔兹曼常数）。原子运动速度减慢了，原子气体的温度就下降，即达到了冷却的目的。上述情况为一维空间上的，将其拓展到三维空间上，得到如图2所示的光学黏团装置。原子在其中与光子不断发生动量交换，纠缠在一起，但是却不能逃脱，形成类似于团形态的物体。 图2 光学黏团示意图1.1.2 相关问题 在激光冷却这方面主要有两方面问题需要解决，一是连续补偿多普勒频移，二是要克服光抽运效应。 1.1.2.1 连续补偿多普勒频移原子吸收激光频率，为原子静止时的共振频率，v为原子

9、运动速度，c 为光速。随着原子的减速，原子共振频率要不断变化。针对这一问题有两种方法分别为激光频率扫描法和原子共振频率变化法。其中常用方法为原子共振频率变化法，因为激光频率扫描法是通过改变激光频率来适应原子的减速过程，但是对激光器的要求非常高，如钠原子需要激光频率的改变率为1500左右，同时激光扫描是周期性的，一个扫描周期产生一团减速原子束，减速原子呈脉冲式，并非连续的，所以一般不采用此方法；而原子共振频率变化法中激光频率保持不变，通过改变原子的共振频率来补偿多普勒频移可以利用在原子束减速途径上设置随空间变化的电磁场，利用变化的塞曼或斯塔克效应随时调整，使失谐与原子速度的变化相匹配。1.1.2

10、.2 克服光抽运效应实际上用于激光减速的原子，基态具有多个能级（如超精细结构）。原子吸收光子减速后，自发辐射出光子回到基态时可能落到其他能级，这时原子共振频率变化，单色性好的激光不能被吸收，即不能被减速。对此通常采用循环跃迁光减速和反抽运激光相结合的方法。循环跃迁是指，原子在吸收单色共振光上升到激发态以后，通过自发辐射回到基态时只能落到原来的状态。这样，原子只能在上下两能级间周而复始地跃迁构成一准二能级系统。可以利用单色窄带激光的能级选择激发法和偏振光激发法来完成。反抽运激光，起“捡漏”的作用，把因光抽运“漏走”的原子重新捡回到减速过程中来。这样的激光必不可少，因为原子激发次数达几百万次以上，

11、一旦“漏走”，便不能再次参与减速，所以真正能被减速的原子会变得很少。同时也需要补偿多普勒频移。2 激光冷却的应用2.1 玻色一爱因斯坦凝聚的实现1924年，印度物理学家玻色最先提出了一种对光子的统计方法。1925年，爱因斯坦将玻色的理论推广到有质量的原子体系中，预言了一种新的物质状态的存在。根据预言，在极低的温度下，由服从玻色-爱因斯坦统计的原子构成的气体可能会发生神奇的转变，处于最低的能量状态上的原子数目会随着温度的降低逐渐增大，直到几乎所有的原子都处于这一个能量状态上，而整体呈现出一个量子状态。这种状态后来被称为“玻色-爱因斯坦凝聚”，是很多实验物理学家致力实现的预言。玻色一爱因斯坦凝聚的

12、实现具有重大的科学意义和潜在的应用价值。首先它证实了一个新物态的存在，这是用相干波函数描述的物态，为实验物理学家提供了独一无二的新介质，大大推动了原子光学的发展。利用物质波的相干性开拓了很多新的研究领域。BEC是一个相干物质波源，可用于进行原子激光的产生和放大研究。其次，BEC的研究使人们更深刻的认识早已在凝聚态物理中的超流和超导问题。BEC还提供了一个平台进行其他量子物理现象的研究。玻色一爱因斯坦凝聚研究在应用技术方面也十分重要。已提出了很多新设想来改善精密测量的准确度，如原子物理常数测量，微重力测量和研制原子干涉仪和原子钟等。实现原子系统的玻色爱因斯坦凝聚的关键技术是激光冷却，它是二十世纪

13、八十年代中期后发展起来的。大家都知道，温度是与微观粒子的无规热运动速度成正相关，而激光冷却原子，就是通过降低原子的运动速度，来实现冷却。我们将激光的波长选择在原子谱线波长略微比中心位置长一些的一侧，那么由于多普勒效应，向着激光运动的原子感受到的波长会显得短一些，因此作用强烈；而背离激光运动的原子感受到的波长会更长一些，因此作用很弱。这样，如果在前后左右上下六个方向都有一束激光的话，就可以把原子的速度降低下来。通过这种方法，可以将原子气体的温度降低到绝对零度之上大约千分之一摄氏度。在经过蒸发冷却，来实现玻色一爱因斯坦凝聚。2.2 原子钟的研究激光冷却气体原子使进一步提高原子钟性能成为可能。原子钟

14、-原子频率标准给出了人类各种活动的时间尺度，它对科学技术的发展始终起着重要作用。2.2.1 原子钟原理图3 原子钟的原理图如图3所示，原子钟是由振荡器发出微波或光信号，利用精密度极高且可调的乘法器(微波/光频链路)与原子介质发生作用，然后通过探测原子介质跃迁后的能态变化以锁定振荡器，从而使振荡器输出标准频率信号。这便是原子钟最基本的部分一一原子频标。原子频标与频率计数和积分等计时器功能锁定在一起就构造成真正实用的原子钟。2.2.2 冷原子钟英国NPL的Essen和Parrv根据分离振荡场技术在1955年成功研制出世界上第一台可靠的铯原子束钟。1960年Ramsev在国际上首次成功研制了氢原子钟

15、.但是这两种钟的稳定度和精度不高。1953年Zacharias提出了原子喷泉方案，这一思想后来成了现代的原子喷泉钟的理论基石。1991年华裔物理学家朱棣文首先提出冷原子喷泉的设想，并成功地用钠原子()实现了冷原子喷泉。中国计量院fNIM)在国内最早开展并成功研制了第一台铯喷泉原子频标NIM-4#钟，随后又研制的NIM-5#在2014年8月加入到TAI报数系统。从表1中可以清晰地看到原子的冷热对于原子钟的性能而言是一个至关重要的因素。表1性传统铯束管、喷泉钟以及空间钟各种参数的比较限制作用时间谱线宽度准确度传统铯束管原子热运动100ms量级10100Hz最高喷泉种重力1s量级1Hz量级空间冷原子

16、钟残余重力冷原子的热运动10s量级0.1Hz量级预期达到量级采用3对互射的激光束将原子群困在光子场中，原子受到光压的作用而逐渐减速最终形成球状原子团，其温度在量级，这个原子团被称作“光学黏团”。然后关闭水平方向的激光，将竖直方向上下两束激光的频率分别减小和增大，使其推动冷原子团以cm/s量级的速度竖直向上移动。关于冷却和俘获激光的设置目前有三种方案：第一种是3对激光沿水平和竖直方向排布，这种方案的缺点是一束激光对要穿过微波腔可能造成电磁干扰，如图4左图；第二种是3对激光不在水平和竖直方向，这种方案需要在冷原子被俘获后再加上移动光学黏团技术的支持，如图4右图；第三种是中国科学家王育竹提出的积分球

17、冷却法嘲，其主要特点是全光性、低功耗，可以捕获比光学黏团更多的原子。图4 现代原子喷泉钟的结构图2.2.3 空间冷原子钟虽然冷原子喷泉钟与传统的原子束钟相比其稳定度和精度都有了很大的提高，但是在原理上，重力成就了它也极大地限制了它。为了突破重力对提高原子钟精度的限制，科学家们把目光转向了空间微重力环境，这是空间冷原子钟研究的原始动力。表2给出了地面实验和微重力环境实验的对比情况。表2传统铯束管、喷泉钟以及空间钟各种参数的比较空间冷原子钟是基于地面冷原子喷泉钟发展而来的。如图5所示：原子在被正交互射的激光冷却俘获之后采用移动光学黏团(molasses)技术将其向右轻轻推出；然后通过一个微波选态腔

18、(初态制备)使冷原子更多地聚集在基态的一个超精细能级上；接着再利用一束选态激光将处于其他精细能级的原子打掉；最后让完全处于单量子态的原子均匀而超缓慢地进入并通过一个环形微波腔，使之与微波发生两次作用实现原子的超精细能级跃迁；在环形微波腔的右侧通过双能级探测器便可以测出处于不同量子态上的原子数，进而算出其跃迁几率。此外，原子钟的鉴频谱线Ramsev条纹的获取是通过扫描微波频率实现的。空间冷原子钟与地面喷泉钟相比精确度更高，原因是超慢速移动的冷原子团不仅有更长的时间与微波发生作用，而且降低了微波腔的相移。图5 空间冷原子钟工作原理3 总结对于激光冷却这项技术，未来还有待提升，其在现如今便具有非常多的用途，无论是对于玻色一爱因斯坦凝聚的实现的研究还是原子钟方向的发展，都有着不可或缺的作用，也是以为这项技术原子钟得以发展，精度越来越高，更是发展到了太空当中，如天宫二号上的“手表”空间冷原子钟。这一项研究进展是的原子钟更加精确同时也大幅度提高了卫星全球定位系统的定位精确度。相信未来的发展将会继续推动这项技术，使其更加完美。同时也对那些科学家们的倾力付出致以