激光冷却技术PPT课件

激光冷却技术
Laser Refrigeration Technique
2004-11-1
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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
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❖ 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
❖ 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，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。
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，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。
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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 。
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激光冷却的原理：
激光冷却涉及到多个物理原理：
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3.光具有动量
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。
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４.其他
此外，
❖激光的高度单色性 ❖可调激光技术
也很重要。
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激光冷却的原理——综述
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2.原子能级量子化
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。
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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。
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Figure1
Laser Advertisement
以理解 。
？？？
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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。
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。
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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。
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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
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什么是激光冷却（laser refrigeration )
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
Art Laser Stage
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激光有什么用途？
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）
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
ห้องสมุดไป่ตู้
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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。
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不难理解，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。