原子光学 光的多普勒效应是指，如果你迎着光源的方向运动，观察到光的频率将会增加；如果背离光源方向运动，观察到的光的频率将会降低

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激光俘获


应用物理 0410228 牛建龙








我们能得到多低的温度？
激光冷却法
原子囚禁 磁光阱
原子操控






我们能得到多低的温度？


我们知道物体的温度与分子的热运动有关，分子运动越剧烈，则物体的温度就越高；反之，分子的热运动越慢，物体的温度就越低。那么我们能获得的最低温度是多少呢？按照经典力学的概念，原子是可以完全静止下来的。当然，实际操作起来就很难了，特别是由于任何一个宏观物体都包含有无数个原子。然而要是真能做到的话，那么物体的温度就是绝对零度了。







量子力学要求对绝对零度的概念做一些修改。为了让一个原子停止下来必须要对它有约束力的作用，使它局限于一定范围之内。然而任何试图限制粒子空间运动范围的行为都必将同时限制它可能拥有的能级，也就意味着会有一个能级下限。这样一来量子理论就使得原子不可能完全静止下来，我们最多只能将所有的粒子都冷却到中量子力学的最低能级态即通常所说的基态。






现在已经有许多将温度降到接近绝对零度的方法，其中最令人惊奇的要数运用光束冷却原子的方案，我们通常总是将光特别是太阳光与温暖联系在一起。在通俗小说和现实世界里可以看到任何物质都会被激光烧穿。然而在原子光学中，激光却被用来将物质冷却到绝对零度附近。






激光冷却法


激光冷却法是目前众多冷却方案中最有效的一种，为了理解它的原理，我们需要首先考察一下光施加在物质上的作用力。
原子可以吸收电磁辐射的能量，使其本身的能量升高；也可以释放出电磁辐射，同时自身的能量降低。原子的能级量子化，是指原子只能吸收和放出某些特定频率的电磁波。按量子理论，电磁波的能量只能以某种不可分割的单位”能量子”与别的物质相作用。而每一份能量子所含的能量正比电磁波的频率，所以，只吸收和释放某些特定频率的电磁波，就意味着原子的能量只能取某些特定的值，故称为能级量子化。






光是一种电磁波，与其它实物粒子一样，也具有动量。当一个原子吸收一份电磁波的能量子(即光子)时，它同时也获得了一定的动量。光的动量与光的波长成反比，方向与光的传播方向相一致。
现在假设某种原子只吸收频率为f0的电磁波。如果我们把激光的频率调在略小于f0的频率上(可调激光技术可以让我们精确地调节所需激光的频率)，并把这样一束激光射在由那种原子组成的样品上，将会发生什么现象呢？






我们知道，在高于绝对零度的任何温度下，组成样品的原子都在作无规则的热运动。当其中某个原子的运动方向指向激光的光源时，由于多普勒效应（光的多普勒效应是指，如果你迎着光源的方向运动，观察到光的频率将会增加；如果背离光源方向运动，观察到的光的频率将会降低）在这个原子看来激光的频率会略高一些。






因为我们把激光的频率调在略低于f0，多普勒效应可以使得飞向光源方向的原子看到的激光频率正好等于f0。这样，这个原子就有可能吸收激光的能量。在它吸收能量时，它同时也获得了动量。由于激光传播的方向与原子运动的方向相反，获得的动量将使原子的运动速度变慢。






多普勒冷却原理







如果另一个原子的运动方向背离激光的光源时，由于多普勒效应，这个原子看到的激光频率将降低，这样将更加远离它能吸收的电磁波的频率，所以这个原子不会吸收激光的能量，也不会从激光那里获得使它加速的动量。






如果我们多设置几个激光源，从多个方向照射那个样品。那么按上面的分析，无论样品的原子往哪个方向运动，它都只吸收迎面而来的激光，因而其运动速度总是被降低。这些原子就好象处在粘稠的糖浆中，它的运动一直受到阻挠，直到几乎完全停止。所以激光冷却装置又被称为“光学糖浆”。






这样，在激光的照射下，组成样品的原子的热运动速度不断降低，它的温度也就不断地降低。那么用这种办法有没有可能达到绝对零度呢？答案是否定的。因为样品原子在吸收了光子之后，其自身能级将升高，因而并不稳定。它会再次释放光子，使自己处于更稳定的状态。释放光子时，它也会失去一部分动量，从而产生相反方向的加速。释放光子的方向是随机的，所以在长期平均来看，它并不产生净的加速。但是它毕竟使原子获得了随机的瞬间速度，这本身也是一种热运动，所以要达到绝对零度是不可能的。可能得到的钠原子最低温度即多普勒极限为绝对温度240μK。






然而最早所做的一些实验结果却非常令人吃惊。他们得到的实际温度远远低于理论预言值。
不过理论研究很快赶上了实验进展原来多普勒冷却和多普勒极限的理论是假设原子具有简单的二能级谱。可是实际上真正的钠原子都具有好几个塞曼子能级，不但在基态，而且在激发态也是如此。基态子能级可以用光泵方法激发，也就是说，激光能够把钠原子转变为按子能级布居的不同分布，并引起新的冷却机制。这种布居分布的细节依赖于激光的偏振态，而在光学粘胶中，在光学波长量级的距离里偏振态会发生快速的变化。因此，人们为这种新的冷却机制取了一个名称，叫“偏振梯度冷却”。






菲利普斯最早发现的特殊机制则取了另外一个名称，叫“希苏伐斯冷却”，希苏伐斯是希腊神话中的一个角色，传说他被判处把重石头推上山坡，而当重石被推到坡顶时，又会滚下山，于是他只能从头开始。原子总在失去动能，就好象是上山一样，经激光场又被光激发回到山谷，如此周而复始，反复进行，不断冷却降温。人们把低于多普勒极限的过程称为亚多普勒冷却。






偏振梯度冷却







原子囚禁 磁光阱


光粘胶和其他复杂方案都可以产生一小束超冷原子，但是它们并不能持久地将原子保持在空间中。因为这些冷却方法都是依赖于反冲力作用，这些作用力总是正比于光的强度，而原子迟早会被迫离开冷却区域。磁光阱技术可以很好地解决这个问题。







磁光阱的原理很简单。原子中的电子可以有多个震荡频率，因此可以“收听”多个不同频率的光。通常我们需要调节光的频率直到合适的值以使电子产生反应。在磁光阱中我们采用另外一种方案--我们保持光的频率不变而去直接调节原子中的电子。我们利用磁场来改变电子的响应频率。增大磁场强度从而精确地 控制这个响应频率的变化。






现在我们用两束不同频率的光从相反的两个方向照射光子，同时让磁场的强度沿原子运动方向不断变化。原子在运动的过程中感受到不同强度的磁场。在某个位置上它可能会吸收譬如向左的光从而受到一个不同强度的磁场，从而可能吸收反方向的激光又重新推向左边。这样原子左右震荡，接连受到两束光轮番推动。最终结果是原子在它能够吸收光子的两个点之间来回震荡。






磁光阱的原理图，左图为一维情况，右图为三维情况







因为磁光阱囚禁所利用的还是自发力，所以它仍然具有依赖于冷却速度的典型特征。这就意味着磁光阱不仅能囚禁原子，还能够同时使原子冷却。它还可以捕获很大空间范围内的原子。也就是说我们可以获得相当密度的囚禁原子。这样就提供了一个理想的慢速原子源。






原子操控


基于亚多普勒冷却效应的发现以及原子囚禁阱如磁光阱的可用性，产生慢原子的问题基本上解决了。但如果要进一步做出任何有趣的东西，我们还必须能够操纵这些原子。光偶极力提供了手段。






激光作用使原子产生感应极化,从而与光波作用产生光偶极力，光偶极力是一种回复力。如果光的频率比所需的与原子允许能级差相匹配的频率低（“红”失谐），光偶极力将把原子推向高亮度区域如果激光蓝失谐即比所需的匹配频率高，那么光偶极力又将把原子推向高亮度区域。这种对光频率的依赖就意味着光偶极力可以用来控制原子。






物理学家运用激光这一奇妙工具，使单个原子跳出量子世界独特的舞步，这是多么令人惊奇的事情呀！当然，这种舞蹈并不是为了取悦大众，事实上，操纵单个原子的能力已经开辟了一个全新的物理学领域－－原子光学。






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