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激光制冷的原理是什么?

2023-07-21 14:38| 发布者: | 查看: |

空调、冰箱制冷我们见的多了,但是激光制冷还真是头次听说,那激光制冷是如何是实现的呢?它的原理又是什么呢?

一、温度的概念

一般来说,激光制冷的物质处于蒸汽团(现在也有一些科研小组能把氟化物等固体制冷,但都是出于真空状态)。

在蒸汽状态下,温度是指分子运动速度快慢,如果分子/原子蒸汽团的运动速度为0,则达到绝对零度。

所以激光致冷的物理意义即把分子/原子蒸汽团的运动速度降低。

二、激光致冷的基本过程

一般致冷使用的激光是相对原子跃迁频率是负失谐的,就是说激光的频率稍稍低于原子的某个跃迁频率。

Doppler Cooling

当原子静止不动时,由于激光的频率稍低,原子无法吸收光子,无影响。

当原子与激光运动方向相同时,由于多普勒效应,原子感受到的频率红移,更加无法吸收光子,也无影响。

当原子与激光相向运动时,由于多普勒效应,原子吸收光子,速度减慢,再向任意方向辐射一个光子,经过这个过程后原子速度减慢。

这个过程有两个结论:原子只能吸收相向运动的光子,而相同方向运动的光子无法被吸收,即无法被加热。在终向任意方向释放光子后会有反冲动量,因此使用多普勒冷却会存在反冲极限。

同时也存在着几个问题:

1、随着原子不断减速,多普勒效应产生的蓝移量不断减小,如果激光频率不变,则无法被继续减速.

2、原子能级内部存在着“暗态”。当原子不断被减速,处于暗态的原子数持续积累,无法吸收光子。

三、冷原子的获得方法

1、塞曼减速

上面提到了原子不断减速后,多普勒效应的蓝移量不断减小,因此在实验上有两种处理方法。

一种是改变激光频率以匹配不断减小的蓝移量。另一种就是利用塞曼效应(或其他)改变原子能级以匹配不断减小的蓝移量。

Zeeman Slower

W. D. Phillips小组在1982年利用塞曼减速器得到了被减速40%的原子团(原子团的速度是一个速率分布,并不是集中在某一个小范围内)

2.光学黏团

Optical Molasses

上图是1985年朱棣文老师小组所作的工作,用六束激光获得了240μK的“光学黏团”

3.磁光阱

Magneto-Optical Trapping

在光学黏团的基础上增加一对反向的亥姆霍兹线圈产生磁四极场。

在塞曼效应的作用下,当原子远离阱的中心时,原子更易吸收指向中心光子而减速,驱动原子始终向中心减速。

四、激光冷却的应用

首先冷原子由于其运动速度小,在此基础上有原子频标(原子钟)、BEC、原子结构精密测量等

由于冷原子运动速度小,其德布罗意波长较长,在此基础上有基于冷原子干涉的陀螺仪、冷原子束刻蚀等。

目前比较新的一个热点是基于冷原子的自由电子激光,即硬X射线激光,用冷原子制备出相干电子源,大大简化设备的体积。

文章来源:光电子前沿

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