激光結(jié)課論文

PAGEPAGE1《激光技術(shù)與應(yīng)用》課程論文激光冷卻技術(shù)專業(yè)：班級：姓名：學(xué)號：提交日期：

激光冷卻技術(shù)摘要:作為新技術(shù)領(lǐng)域的激光冷卻，它是利用激光和原子的相互作用減速原子運動來獲得超低溫原子的技術(shù)。早期用于精確測量各種原子參數(shù)，簡單敘述了該項技術(shù)的工作原理，對于實現(xiàn)玻色愛因斯坦凝聚態(tài)有著不可或缺的作用。闡述了激光冷卻與多普勒原理，提出了激光冷卻在連續(xù)補償多普勒頻移和光抽運效應(yīng)上的問題以及針對這兩個問題的具體分析。介紹了該項技術(shù)的應(yīng)用，如目前天宮二號上的空間冷原子鐘。最后對該項技術(shù)未來的發(fā)展做簡單的分析。關(guān)鍵詞：激光冷卻；玻色-愛因斯坦凝聚；原子鐘；激光；空間冷原子鐘；多普勒原理Abstract:Asanewtechnology,lasercoolingisatechniquetoobtainultralowtemperatureatomsbyusinglaserandatominteractiontoslowdownatomicmotion.Intheearlystage,itwasusedtopreciselymeasurevariousatomicparameters,andtheworkingprincipleofthistechniquewasbrieflydescribed.ItisindispensablefortherealizationofBoseEinsteincondensates.TheprincipleoflasercoolingandDopplerisexpounded.TheproblemsoflasercoolingincontinuouscompensationofDopplerfrequencyshiftandopticalpumpingeffectareputforward,andtheconcreteanalysisofthesetwoproblemsisalsopresented.Theapplicationofthistechnique,suchasthespacecoldatomicclockinheavenlypalaceNo.two,isintroduced.Finally,abriefanalysisofthefuturedevelopmentofthetechnologyisgiven.Keywords:LaserCooling;BoseEinsteinCondensates;AtomicClock;SpaceColdAtomicClock;DopplerPrinciple;Laser隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們的生活逐漸發(fā)生著變化，自1960年激光誕生以來伴著激光器的發(fā)明越來越多的新技術(shù)被發(fā)掘出來，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、激光槍、激光炮等等。激光還能用來冷卻原子，為驗證相對論和實現(xiàn)愛因斯坦的科學(xué)預(yù)言提供了必要的物理手段，同時利用超冷原子氣體研制的高穩(wěn)定度和準確度的原子鐘可在更高精確度上測量引力紅移、原子結(jié)構(gòu)常數(shù)的演化和光的各向異性。不僅如此激光冷卻氣體原子也是實現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚必不可少的深度冷卻過程。因為激光頻率掃描法是通過改變激光頻率來適應(yīng)原子的減速過程，但是對激光器的要求非常高，如鈉原子需要激光頻率的改變率為1500左右，同時激光掃描是周期性的，一個掃描周期產(chǎn)生一團減速原子束，減速原子呈脈沖式，并非連續(xù)的，所以一般不采用此方法；而原子共振頻率變化法中激光頻率保持不變，通過改變原子的共振頻率來補償多普勒頻移可以利用在原子束減速途徑上設(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。1.1.2.2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。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)成一準二能級系統(tǒng)。可以利用單色窄帶激光的能級選擇激發(fā)法和偏振光激發(fā)法來完成。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。同時也需要補償多普勒頻移。2激光冷卻的應(yīng)用2.1玻色一愛因斯坦凝聚的實現(xiàn)1924年，印度物理學(xué)家玻色最先提出了一種對光子的統(tǒng)計方法。1925年，愛因斯坦將玻色的理論推廣到有質(zhì)量的原子體系中，預(yù)言了一種新的物質(zhì)狀態(tài)的存在。根據(jù)預(yù)言，在極低的溫度下，由服從玻色-愛因斯坦統(tǒng)計的原子構(gòu)成的氣體可能會發(fā)生神奇的轉(zhuǎn)變，處于最低的能量狀態(tài)上的原子數(shù)目會隨著溫度的降低逐漸增大，直到幾乎所有的原子都處于這一個能量狀態(tài)上，而整體呈現(xiàn)出一個量子狀態(tài)。這種狀態(tài)后來被稱為“玻色-愛因斯坦凝聚”，是很多實驗物理學(xué)家致力實現(xiàn)的預(yù)言。玻色一愛因斯坦凝聚的實現(xiàn)具有重大的科學(xué)意義和潛在的應(yīng)用價值。首先它證實了一個新物態(tài)的存在，這是用相干波函數(shù)描述的物態(tài)，為實驗物理學(xué)家提供了獨一無二的新介質(zhì)，大大推動了原子光學(xué)的發(fā)展。利用物質(zhì)波的相干性開拓了很多新的研究領(lǐng)域。BEC是一個相干物質(zhì)波源，可用于進行原子激光的產(chǎn)生和放大研究。其次，BEC的研究使人們更深刻的認識早已在凝聚態(tài)物理中的超流和超導(dǎo)問題。BEC還提供了一個平臺進行其他量子物理現(xiàn)象的研究。玻色一愛因斯坦凝聚研究在應(yīng)用技術(shù)方面也十分重要。已提出了很多新設(shè)想來改善精密測量的準確度，如原子物理常數(shù)測量，微重力測量和研制原子干涉儀和原子鐘等。實現(xiàn)原子系統(tǒng)的玻色愛因斯坦凝聚的關(guān)鍵技術(shù)是激光冷卻，它是二十世紀八十年代中期后發(fā)展起來的。大家都知道，溫度是與微觀粒子的無規(guī)熱運動速度成正相關(guān)，而激光冷卻原子，就是通過降低原子的運動速度，來實現(xiàn)冷卻。我們將激光的波長選擇在原子譜線波長略微比中心位置長一些的一側(cè)，那么由于多普勒效應(yīng)，向著激光運動的原子感受到的波長會顯得短一些，因此作用強烈；而背離激光運動的原子感受到的波長會更長一些，因此作用很弱。這樣，如果在前后左右上下六個方向都有一束激光的話，就可以把原子的速度降低下來。通過這種方法，可以將原子氣體的溫度降低到絕對零度之上大約千分之一攝氏度。在經(jīng)過蒸發(fā)冷卻，來實現(xiàn)玻色一愛因斯坦凝聚。2.2原子鐘的研究激光冷卻氣體原子使進一步提高原子鐘性能成為可能。原子鐘-原子頻率標準給出了人類各種活動的時間尺度，它對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展始終起著重要作用。2.2.1原子鐘原理圖3原子鐘的原理圖如圖3所示，原子鐘是由振蕩器發(fā)出微波或光信號，利用精密度極高且可調(diào)的乘法器(微波/光頻鏈路)與原子介質(zhì)發(fā)生作用，然后通過探測原子介質(zhì)躍遷后的能態(tài)變化以鎖定振蕩器，從而使振蕩器輸出標準頻率信號。這便是原子鐘最基本的部分一一原子頻標。原子頻標與頻率計數(shù)和積分等計時器功能鎖定在一起就構(gòu)造成真正實用的原子鐘。2.2.2冷原子鐘英國NPL的Essen和Parrv根據(jù)分離振蕩場技術(shù)在1955年成功研制出世界上第一臺可靠的銫原子束鐘。1960年Ramsev在國際上首次成功研制了氫原子鐘.但是這兩種鐘的穩(wěn)定度和精度不高。1953年Zacharias提出了原子噴泉方案，這一思想后來成了現(xiàn)代的原子噴泉鐘的理論基石。1991年華裔物理學(xué)家朱棣文首先提出冷原子噴泉的設(shè)想，并成功地用鈉原子()實現(xiàn)了冷原子噴泉。中國計量院fNIM)在國內(nèi)最早開展并成功研制了第一臺銫噴泉原子頻標NIM-4#}鐘，隨后又研制的NIM-5#}在2014年8月加入到TAI報數(shù)系統(tǒng)。從表1中可以清晰地看到原子的冷熱對于原子鐘的性能而言是一個至關(guān)重要的因素。表1性傳統(tǒng)銫束管、噴泉鐘以及空間鐘各種參數(shù)的比較限制作用時間譜線寬度準確度傳統(tǒng)銫束管原子熱運動100ms量級10~100Hz最高噴泉種重力1s量級~1Hz量級空間冷原子鐘殘余重力冷原子的熱運動10s量級0.1Hz量級預(yù)期達到量級采用3對互射的激光束將原子群困在光子場中，原子受到光壓的作用而逐漸減速最終形成球狀原子團，其溫度在量級，這個原子團被稱作“光學(xué)黏團”。然后關(guān)閉水平方向的激光，將豎直方向上下兩束激光的頻率分別減小和增大，使其推動冷原子團以cm/s量級的速度豎直向上移動。關(guān)于冷卻和俘獲激光的設(shè)置目前有三種方案：第一種是3對激光沿水平和豎直方向排布，這種方案的缺點是一束激光對要穿過微波腔可能造成電磁干擾，如圖4左圖；第二種是3對激光不在水平和豎直方向，這種方案需要在冷原子被俘獲后再加上移動光學(xué)黏團技術(shù)的支持，如圖4右圖；第三種是中國科學(xué)家王育竹提出的積分球冷卻法嘲，其主要特點是全光性、低功耗，可以捕獲比光學(xué)黏團更多的原子。圖4現(xiàn)代原子噴泉鐘的結(jié)構(gòu)圖2.2.3空間冷原子鐘雖然冷原子噴泉鐘與傳統(tǒng)的原子束鐘相比其穩(wěn)定度和精度都有了很大的提高，但是在原理上，重力成就了它也極大地限制了它。為了突破重力對提高原子鐘精度的限制，科學(xué)家們把目光轉(zhuǎn)向了空間微重力環(huán)境，這是空間冷原子鐘研究的原始動力。表2給出了地面實驗和微重力環(huán)境實驗的對比情況。表2傳統(tǒng)銫束管、噴泉鐘以及空間鐘各種參數(shù)的比較空間冷原子鐘是基于地面冷原子噴泉鐘發(fā)展而來的。如圖5所示：原子在被正交互射的激光冷卻俘獲之后采用移動光學(xué)黏團(molasses)技術(shù)將其向右輕輕推出；然后通過一個微波選態(tài)腔(初態(tài)制備)使冷原子更多地聚集在基態(tài)的一個超精細能級上；接著再利用一束選態(tài)激光將處于其他精細能級的原子打掉；最后讓完全處于單量子態(tài)的原子均勻而超緩慢地進入并通過一個環(huán)形微波腔，使之與微波發(fā)生兩次作用實現(xiàn)原子的超精細能級躍遷；在環(huán)形微波腔的右側(cè)通過雙能級探測器便可以測出處于不同量子態(tài)上的原子數(shù)，進而算出其躍遷幾率。此外，原子鐘的鑒頻譜線Ramsev條紋的獲取是通過掃描微波頻率實現(xiàn)的?？臻g冷原子鐘與地面噴泉鐘相比精確度更高，原因是超慢速移動的冷原子團不僅有更長的時間與微波發(fā)生作用，而且降低了微波腔的相移。圖5空間冷原子鐘工作原理3總結(jié)對于激光冷卻這項技術(shù)，未來還有待提升，其在現(xiàn)如今便具有非常多的用途，無論是對于玻色一愛因斯坦凝聚的實現(xiàn)的研究還是原子鐘方向的發(fā)展，都有著不可或缺的作用，也是以為這項技術(shù)原子鐘得以發(fā)展，精度越來越高，更是發(fā)展到了太空當中，如天宮二號上的“手表”空間冷原子鐘。這一項研究進展是的原子鐘更加精確同時也大幅度提高了衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)的定位精確度。相信未來的發(fā)展將會繼續(xù)推動這項技術(shù)，使其更加完美。同時也對那些科學(xué)家們的傾力付出致以敬意。參考文獻王義遒.原子的激光冷卻與陷俘[M].北京：北京大學(xué)出版社，2007：120..王育竹,徐震.激光冷卻及其在科學(xué)技術(shù)中