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1、激光冷却技术 Laser Refrigeration Technique,2004-11-1,什么是激光（laser）,它基于爱因斯坦在1916年提出的一套全新理论，即在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跃迁到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。特点：方向性好 单色性好 能量集中 相干性好 由于具有以上优异特性，激光很快应用于各种技术领域。,激光有什么用途？,激光在通讯上的应用 把激光作为信息载体，实现通讯的一种方
2、式。它包括激光大气传输通信、卫星激光通信、光纤通信和水下激光通信等多种方式。激光通信具有信息容量大、传送线路多，保密性强、可传送距离较远，设备轻便、费用经济等优点。,激光有什么用途？,激光艺术 把几种颜色的激光束射到旋转着的凹凸花纹玻璃球上，可以产生形状变化不定，色彩鲜艳明亮的图案；把激光射到一块振动着的镜子上，出射的光束会画出各种式样的几何图形，如果再用电脑控制镜子的振动，还能够让画出的图案像动画片那样在空中飘动。,Figure1 Laser Advertisement Art Laser Stage,激光笔 激光美容（减肥）激光全息照相 激光治疗疾病 激光保鲜（通过辐射杀死存在粮食表面或内
3、部的各种病虫细菌等；此外，辐射还能抑制根茎类作物的成熟发芽，这就使得那些须长期保存用作种子的薯类、洋葱等，久藏而不坏）激光准确预报天气（向空中发射一束高频高能的激光，激光形成一个独特的凝结核，空中水蒸气饱和度的不同，凝结核上聚集的水分情况也不同从而准确预告降雨量）,激光有什么用途？,英国科学家最近利用激光代替针线，成功地“缝制”了一件衬衫，这项创举对传统服装业提出了新的挑战。激光冷却,激光有什么用途？,众所周知，由于其高功率的光束，激光能产生高温，因而有激光手术、激光焊接等应用。但是激光居然还能用来冷却，而且可以冷却到绝对温度的百万分之一度以下，却似乎有点难以理解。？,什么是激光冷却（lase
4、r refrigeration),利用光使大的物体冷却的想法是德国物理学家晋林希姆在1929年首先提出的。他的想法是当物质发射荧光时，它会变冷。当分子吸收光时，它的电子就受激。这个新的状态是不稳定的，分子必须失去多余的能量。要作到这一点，可通过使分子发生永久性化学变化（如拆开一个键），或者是将分子升温，使它和周围环境变热。多余的能量会以光的形式离开分子。通过使荧光离开全部能量，比吸收的能量更多，冷却便可实现。其方法便是对激光束中光子的能量进行挑选，以便它只被材料中那些已经具有某种能量的分子所吸收，以首先实现对这些分子的“加热”。在理论上普林希姆的想法很好，但是实践起来却困难重重。主要的难点在于
5、，要找到一种合适的荧光材料，并把它固定在一个能让所有的入射光都被吸收和让所有的荧光都被放出的“清澈”的固体上。,基本原理概述：当原子逼近绝对零度时，由于原子动能的存在，常规的冷冻方法将无效（？见后）。而激光冷冻的基本原理是将一束激光分束为等频率的多路光，再对称地照在少量原子上。这样，利用光压，可以有效地使原子减速，从而降低原子动能，达到冷冻的目的。,激光冷却的原理：,激光冷却涉及到多个物理原理：光的多普勒效应 原子能级量子化 光具有动量 激光的高度单色性 可调激光技术,1.光的多普勒效应,多普勒效应：由于波源和观察者之间有相对运动,使观察者感到频率发生变化的现象。link:flash不难理解，
6、光的多普勒效应是指，当你迎着光源的方向运动，观察到光的频率将会增加，即蓝移；当背离光源方向运动，观察到的光的频率将会降低，即红移。,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。,2.原子能级量子化,光子一般来说是没有质量的，但是与其它实物粒子一样，具有动量。当一个原子吸收一份电
7、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。,3.光具有动量,此外，激光的高度单色性可调激光技术也很重要。,.其他,激光冷却的原理综述,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，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，
8、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。,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
9、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”或“光学粘胶”。,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？不能。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。只是这种热运动的幅度很小，其对应的温度对大多数原子来讲在千分之一开以下。
10、,研究激光冷却的意义,操纵和控制单个原子一直是物理学家追求的目标（link)激光冷却和陷俘原子的研究使其成为可能(why其他的方法不可行?-link)1997诺贝尔物理学奖激光冷却和陷俘原子 美国的菲利普斯 法国的科恩塔诺季 斯坦福大学的华裔物理学家朱棣文（link),link:操纵和控制单个原子,人类按照自己的意志直接对原子、分子进行精确的加工，把一个原子放到另一个原子上，制造出最小的具有特定功能的人工机器来。在生物领域研究出“分子机器人”，可注入人体血管内，清除心脏动脉脂肪积淀物，杀除病毒和癌细胞，还可以进入细胞进行基因修复和蛋白装配工作在计算机领域美国威斯康星州大学的科研小组近日宣布，他
11、们在室温条件下通过操纵单个原子，研制出原子级的硅记忆材料，利用其制造的计算机存储材料不仅体积更小，而且其存储信息的密度是目前光盘的100万倍。BACK,link-why其他的方法不可行？,固体和液体中的原子处于密集状态之中，原子间靠得很近，联系难以隔绝；气体分子或原子则不断地在作无规则热运动，即使在室温下空气中的原子、分子的速率也达到几百m/s。在这种快速运动的状态下，即使有仪器能直接进行观察，它们也会很快地就从视场中消失，因此难以对它们进行研究。降低温度，可以减小速率，但是问题在于：气体一经冷却，会先凝聚为液体，再冻结成固体。如果是在真空中冷冻，其密度就可以保持足够地低，避免凝聚和冻结。但即
12、使低到270，还会有速率达到几十m/s的分子原子，只有接近绝对零度（273以下）时，速率才会大为降低。（当温度低到10-6K，即1微开（K）时，自由氢原子预计将以低于25cm/s的速率运动。）因此，怎样达到如此低的温度呢？-激光冷却恰好解决了这个问题，即在激光的作用下使原子减速。BACK,link-1997诺贝尔物理学奖,激光冷却实验 1985年朱棣文和他的同事在贝尔实验室用两两相对，沿三个正交方向的六束激光使原子减速。真空中的一束钠原子被迎面而来的激光束阻止下来将钠原子引进六束激光的交汇处。这六束激光都比静止钠原子吸收的特征颜色稍微有些红移，其效果就是不管钠原子企图向何方运动，都会遇上具有恰
13、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。由六束激光组成了“光学粘胶”，使原子陷入其中从而不断降低速度。,link-1997诺贝尔物理学奖,II.陷俘原子实验 上述实验中原子只是被冷却，并没有被陷俘。重力会使它们在1秒钟内从光学粘胶中落下来。为了真正陷俘原子，就需要有一个陷阱。如上述排列，再加上两个磁性线圈，以便给出略微可变化的磁场，其最小值处于激光束相交的区域。由于磁场会对原子的特征能级起作用（这种作用叫做塞曼效应，即置于磁场中的光源发射的各种谱线，受磁场影响分裂成几条，各分谱线之间间隔的大小与磁场强度成正
14、比），就会产生一个比重力大的力，从而把原子拉回到陷阱中心。这时原子虽然没有真正被捉住，但却是被激光和磁场约束在一个很小的范围里，从而可以在实验中加以研究或利用。,当在同一体积中陷俘越来越多的原子时，就组成了稀薄气体，可以详细研究其特性。用聚焦激光束使原子束弯折和聚焦，导致了“光学镊子”的发展，光子镊子可用于操纵活细胞和其它微小物体。用于冷却卫星上灵敏的探测器和电子设备。所有高温物体能发出红外辐射。譬如说，天文学用的红外探测器就是这个问题，因为热仪器所发出的“噪音”会淹没来自天体的信号。所以对红外探测器械冷却是极为重要的。,激光冷却的应用前景,设计出原子喷泉实验。即把高度冷却并被陷俘了的原子非常平缓地向上喷出，在重力场中作抛射体运动，当到达顶点时原子正好处在微波腔内，然后在重力场的作用下开始下落。这时，用相隔一定时间的两束微波辐射脉冲对这些原子进行探测。借助原子喷泉可以对原子的能级进行极为精确的测量，有可能用于设计新型的原子钟（利用振荡场的频率即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器），以应用于太空航行和GPS全球定位系统（目前精确度最高的是铯原子钟）。,激光冷却的应用,结束语：激光冷却技术有着广泛的应用前景，但目前尚在探索之中，随着科学的发展，其必将渗透于各个领域，让我们拭目以待吧！,Thank You!,
