原子气体的激光冷却与俘获

1、原子气体的多普勒冷却 武寄洲多普勒效应简介 内容提要多普勒冷却的极限 多普勒冷却机制多普勒效应简介 内容提要多普勒冷却的极限 多普勒冷却机制 Stanford University USA“for development of methods to cool and trap atoms with laser light” Ecole Normale Superieure & College de France France National Institute of Standards & Technology USA多普勒效应 波源与接收器之间存在相对运动时，发射频率与接受频率不同的现象。

2、 接受频 ， 是介质中的波速，保持不变, 是接收器的速度，趋向波源为负，离开波源为正。 是波源速度，趋向接收器为正，离开接收器为负。 表示波源的固有频率。/v uffv uv/uuf 当运动着的光源的光波到达眼睛时，如果光源移动得够快的话，频率会发生移动，就是说，颜色会发生改变 假若光源向着我们运动，每秒钟就会有较多的光波挤进我们的眼睛，我们所看到的光就会向可见光谱的高频端（即紫端）偏移；反之，如果光源远离我们而去，每秒钟到达的光波就较少，于是光就会向可见光谱的低频端（即红端）偏移 多普勒效应简介 内容提要多普勒冷却的极限 多普勒冷却机制激光冷却中性原子思想的提出激光冷却中性原子思想的提出 1

3、975年年 Hansch 和和 Schawlow Optics Communication, Vol.13(1975) p.68V1吸收光子2自发辐射光子原子原子 V”激发的原子激发的原子V 原子静止时的吸收频率为 ,则由于多普勒效应，当它以速度 相对光波运动时，被共振吸收的光波的频率应该是 从动量角度讲，吸收后原子以自发辐射的方式发出光子回到基态, 然后再吸收光子, 再自发辐射.每次吸收一个光子, 原子都得到与其运动方向相反的动量, 而每次自发辐射, 发射光子的方向却是随机的(自发辐射是各向同性的，导致自发辐射引起原子动量变化为0)。 因此多次重复下来, 激光束的散射力对原子的运动起阻尼作用

4、，原子因之被减速。 平均每次吸收-自发辐射循环降低的速度为00(1)c0hmc v 从能量的角度讲，运动原子吸收来自负失谐激光束的光子，而自发辐射出的光子的频率为其共振频率，因而自发辐射光子的能量高于所吸收的光子能量，其能量的差值正是原子散射光子的过程中所消耗的原子自身的动能。原子动能的降低，也就是原子体系的等效温度也在降低。这样就实现了中性原子的激光冷却。驻波场中的原子 F的函数线型kk-| |/k /kvz0forcesmall velocities: F -v coolingSteven Chu 光学粘胶与MOT 让真空中的一束钠原子先是被迎面而来的激光束阻止下来，然后把钠原子引进两两相

5、对，沿三个正交方向的六束激光的交汇处。这六束激光都比静止钠原子吸收的特征颜色稍有红移，其效果就是不管钠原子企图向何方运动，都会遇上具有恰当能量的光子，并被推回到六束激光交汇的区域。在这个小区域里，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。由六束激光组成的阻尼机制就像某种粘稠的流体，原子陷入其中会不断降低速度。这种机制就叫做“光学粘胶”。但是处于光学粘胶中的原子会由于重力而往下掉落。为了真正陷俘原子，就需要有一个陷阱。朱棣文和他的小组在光学粘胶装置的基础上再加上两个磁性线圈，设计了一种很有效的陷阱，叫做磁光陷阱。磁光陷阱会产生一个比重力大的力，从而把原子拉回到陷阱中心。

6、 01002003004000.00.20.40.60.81.0ProbabilityVelocity2VVpVVTmkTVp2TmkTV82TmkTV3232热热冷冷TV T小T大“热热” ” vsvs “ “冷冷” 在重力场中，热平衡态下气体系统中的原子、分子的速度分布在重力场中，热平衡态下气体系统中的原子、分子的速度分布:Maxwell-Boltzman 分布分布 气体系统的温度，表示其中的原子、分子的平均平动能气体系统的温度，表示其中的原子、分子的平均平动能: TkmVmVmVBzyx23212121222 由于原子束中的原子有一定的速度分布,太快的原子由于其多普勒频移过大使得激光不能

7、与它们共振，因而不能被减；太慢的原子由于多普勒频移太小而总是离共振，减速也不太明显。只有速度适中的原子多普勒频移量基本适合,其速度明显被降低。激光减速的结果是,使原来热原子束很宽的原子速度分布被压窄,并被移到低速区. 内容提要多普勒效应简介多普勒冷却机制多普勒冷却的极限多普勒冷却的极限 一方面，多普勒冷却理论是设原子具有简单的二能级谱。实际上，真正的原子都具有多个超精细能级（塞曼子能级），原子在散射光子的过程中，通过自发辐射回到基态的过程中，有可能落到其它与激光非共振的超精细能级上，这部分原子不再与激光场作用而不被继续冷却。 另一方面，由于多普勒冷却时，满足共振条件 。当原子速度被降低后，上述

8、共振条件不再满足。减速的效果会弱下去。而速度很低，共振条件意味光波频率 非常接近原子跃迁频率 。原子的跃迁谱线宽度最窄，是原子能级寿命决定的自然线宽，多普勒线宽比之大很多，所以多普勒冷却方式不能最终移走自然线宽的热运动能量。0k v 01962 Askaliyan 提出除光压外，还有梯度力概念1968 Letokhov 提出用梯度力陷俘原子-光阱1970 Ashkin 光对中性原子和微粒的作用力1975 Hansch，Schalow 中性原子的激光冷却建议 Wineland, Dehmelt 离子的激光冷却建议1978 Wineland, Dehmelt 阱中离子激光冷却实验1979 Balykin 激光减速原子束实验1985 朱棣文(S. Chu) 第一个Optical Molasses实验1987 Pritchard 实现第一个MOT, Dalibard提出思想1