原子氣體的激光冷卻與俘獲

原子氣體的多普勒冷卻

武寄洲多普勒效應簡介內(nèi)容提要多普勒冷卻的極限多普勒冷卻機制多普勒效應簡介內(nèi)容提要多普勒冷卻的極限多普勒冷卻機制Steven

Chu

(朱棣文)

StanfordUniversity

USATheRoyalSwedishAcademyofSciences

hasawardedthe1997NobelPrizeinPhysicsjointlyto:

“fordevelopmentofmethodstocoolandtrapatomswithlaserlight”NobelPrizeinPhysics

1997

C.Cohen-Tannoudji

Ecole

Normale

Superieure&CollegedeFranceFrance

WilliamsPhillips

NationalInstituteofStandards&TechnologyUSA多普勒效應波源與接收器之間存在相對運動時，發(fā)射頻率與接受頻率不同的現(xiàn)象。

接受頻，是介質(zhì)中的波速，保持不變,是接收器的速度，趨向波源為負，離開波源為正。是波源速度，趨向接收器為正，離開接收器為負。表示波源的固有頻率。

當運動著的光源的光波到達眼睛時，如果光源移動得夠快的話，頻率會發(fā)生移動，就是說，顏色會發(fā)生改變．

假若光源向著我們運動，每秒鐘就會有較多的光波擠進我們的眼睛，我們所看到的光就會向可見光譜的高頻端（即紫端）偏移；反之，如果光源遠離我們而去，每秒鐘到達的光波就較少，于是光就會向可見光譜的低頻端（即紅端）偏移．

多普勒效應簡介內(nèi)容提要多普勒冷卻的極限多普勒冷卻機制激光冷卻中性原子思想的提出

1975年Hansch

和Schawlow

OpticsCommunication,Vol.13(1975)p.68V原子

V”激發(fā)的原子V’

原子靜止時的吸收頻率為,則由于多普勒效應，當它以速度相對光波運動時，被共振吸收的光波的頻率應該是

從動量角度講，吸收后原子以自發(fā)輻射的方式發(fā)出光子回到基態(tài),然后再吸收光子,再自發(fā)輻射.每次吸收一個光子,原子都得到與其運動方向相反的動量,而每次自發(fā)輻射,發(fā)射光子的方向卻是隨機的(自發(fā)輻射是各向同性的，導致自發(fā)輻射引起原子動量變化為0)。因此多次重復下來,激光束的散射力對原子的運動起阻尼作用，原子因之被減速。平均每次吸收-自發(fā)輻射循環(huán)降低的速度為從能量的角度講，運動原子吸收來自負失諧激光束的光子，而自發(fā)輻射出的光子的頻率為其共振頻率，因而自發(fā)輻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過程中所消耗的原子自身的動能。原子動能的降低，也就是原子體系的等效溫度也在降低。這樣就實現(xiàn)了中性原子的激光冷卻。駐波場中的原子F的函數(shù)線型kk-|

|/k

/kvz0forcesmallvelocities:

F

-v?viscosity”

OPTICALMOLASSESzeroforcefor

v=0

coolingNetforce:StevenChu—光學粘膠與MOT讓真空中的一束鈉原子先是被迎面而來的激光束阻止下來，然后把鈉原子引進兩兩相對，沿三個正交方向的六束激光的交匯處。這六束激光都比靜止鈉原子吸收的特征顏色稍有紅移，其效果就是不管鈉原子企圖向何方運動，都會遇上具有恰當能量的光子，并被推回到六束激光交匯的區(qū)域。在這個小區(qū)域里，聚集了大量的冷卻下來的原子，組成了肉眼看去像是豌豆大小的發(fā)光的氣團。由六束激光組成的阻尼機制就像某種粘稠的流體，原子陷入其中會不斷降低速度。這種機制就叫做“光學粘膠”。但是處于光學粘膠中的原子會由于重力而往下掉落。為了真正陷俘原子，就需要有一個陷阱。朱棣文和他的小組在光學粘膠裝置的基礎上再加上兩個磁性線圈，設計了一種很有效的陷阱，叫做磁光陷阱。磁光陷阱會產(chǎn)生一個比重力大的力，從而把原子拉回到陷阱中心。

熱冷T小T大“熱”

vs

“冷”@在重力場中，熱平衡態(tài)下氣體系統(tǒng)中的原子、分子的速度分布:Maxwell-Boltzman

分布@氣體系統(tǒng)的溫度，表示其中的原子、分子的平均平動能:

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頻移過大使得激光不能與它們共振，因而不能被減；太慢的原子由于多普勒頻移太小而總是離共振，減速也不太明顯。只有速度適中的原子多普勒頻移量基本適合,其速度明顯被降低。激光減速的結果是,使原來熱原子束很寬的原子速度分布被壓窄,并被移到低速區(qū).內(nèi)容提要多普勒效應簡介多普勒冷卻機制多普勒冷卻的極限多普勒冷卻的極限

一方面，多普勒冷卻理論是設原子具有簡單的二能級譜。實際上，真正的原子都具有多個超精細能級（塞曼子能級），原子在散射光子的過程中，通過自發(fā)輻射回到基態(tài)的過程中，有可能落到其它與激光非共振的超精細能級上，這部分原子不再與激光場作用而不被繼續(xù)冷卻。

另一方面，由于多普勒冷卻時，滿足共振條件。當原子速度被降低后，上述共振條件不再滿足。減速的效果會弱下去。而速度很低，共振條件意味光波頻率非常接近原子躍遷頻率。原子的躍遷譜線寬度最窄，是原子能級壽命決定的自然線寬，多普勒線寬比之大很多，所以多普勒冷卻方式不能最終移走自然線寬的熱運動能量。

Askaliyan

提出除光壓外，還有梯度力概念

Letokhov

提出用梯度力陷俘原子---光阱

Ashkin

光對中性原子和微粒的作用力

Hansch，Schalow

中性原子的激光冷卻建議

Wineland,Dehmelt

離子的激光冷卻建議1978Wineland,Dehmelt

阱中離子激光冷卻實驗

Balykin

激光減速原子束實驗朱棣文(S.Chu)第一個OpticalMolasses實驗1987Pritchard實現(xiàn)第一個MOT,Dalibard提