原子气体的多普勒冷却

“for development of methods to cool and trap atoms with laser light”
多普勒效应
波源与接收器之间存在相对运动时，发射 频率与接受频率不同的现象。
接受频 f / v u/ f ， v 是介质中的波
vu
速，保持不变, u / 是接收器的速度，趋向波源为
@ 气体系统的温度，表示其中的原子、分子的平均平动能:
0
100
200
300
400
1 2
mVx2

1 2
mVye2 loc12itmyVz2

3 2
kBT
由于原子束中的原子有一定的速 度分布,太快的原子由于其多普勒频移 过大使得激光不能与它们共振，因而
不能被减；太慢的原子由于多普勒频
移太小而总是离共振，减速也不太明
驻波场中的原子 F的函数线型
Net force:
force
k
k
-||/k 0 /k
vz
small velocities:
F -v
„viscosity” OPTICAL MOLASSES
zero force for v=0 cooling
Steven Chu —光学粘胶与MOT
让真空中的一束钠原子先是被迎面而来的激光束阻止 下来，然后把钠原子引进两两相对，沿三个正交方向的六 束激光的交汇处。这六束激光都比静止钠原子吸收的特征 颜色稍有红移，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 组成的阻尼机制就像某种粘稠的流体，原子陷入其中会不 断降低速度。这种机制就叫做“光学粘胶”。但是处于光 学粘胶中的原子会由于重力而往下掉落。为了真正陷俘原 子，就需要有一个陷阱。朱棣文和他的小组在光学粘胶装 置的基础上再加上两个磁性线圈，设计了一种很有效的陷 阱，叫做磁光陷阱。磁光陷阱会产生一个比重力大的力， 从而把原子拉回到陷阱中心。
内容提要
•多普勒效应简介 •多普勒冷却机制 •多普勒冷却的极限
激光冷却中性原子思想的提出
1975年 Hansch 和 Schawlow
Optics Communication, Vol.13(1975) p.68
原子 V
吸收光子1
V”
自发辐射光子 2
激发的原子 V’
原子静止时的吸收频率为 0 ,则由于多普勒 效应，当它以速度 v 相对光波运动时，被共振吸 收的光波的频率应该是
“热” vs “冷”
冷 热 Vp
1.0
V
0.8
T小 T大
V2
0.6
V
0.4
Vp
2kT m
T
V 2 8kT T

m
V 2 3 3kT T
2
m
V T
Probability
@ 在0重.2力场中，热平衡态下气体系统中的原子、分子的速度分布:
0.0
Maxwell-Boltzman 分布
作用而不被继续冷却。
另一方面，由于多普勒冷却时，满 足共振条件 0 k v。当原子速
度被降低后，上述共振条件不再满足。 减速的效果会弱下去。而速度很低，共
振条件意味光波频率 非常接近原子跃
迁频率0。原子的跃迁谱线宽度最窄，
是原子能级寿命决定的自然线宽，多普 勒线宽比之大很多，所以多普勒冷却方 式不能最终移走自然线宽的热运动能量。



0
(1


c
)
从动量角度讲，吸收后原子以自发辐射的
方式发出光子回到基态, 然后再吸收光子, 再自
发辐射.每次吸收一个光子, 原子都得到与其运动
方向相反的动量, 而每次自发辐射, 发射光子的
方向却是随机的(自发辐射是各向同性的，导致
自发辐射引起原子动量变化为0)。 因此多次重
复下来, 激光束的散射力对原子的运动起wenku.baidu.com尼作
用，原子因之被减速。 平均每次吸收-自发辐射
循环降低的速度为 h 0
mc
从能量的角度讲，运动原子吸收来自负
失谐激光束的光子，而自发辐射出的光子 的频率为其共振频率，因而自发辐射光 子的能量高于所吸收的光子能量，其能 量的差值正是原子散射光子的过程中所 消耗的原子自身的动能。原子动能的降 低，也就是原子体系的等效温度也在降 低。这样就实现了中性原子的激光冷却。
负，离开波源为正。u 是波源速度，趋向接收
器为正，离开接收器为负。f 表示波源的固有频 率。
当运动着的光源的光波到达眼睛时，如果光源移动得 够快的话，频率会发生移动，就是说，颜色会发生改变．
假若光源向着我们运动，每秒钟就会有较多的光波挤 进我们的眼睛，我们所看到的光就会向可见光谱的高频端 （即紫端）偏移；反之，如果光源远离我们而去，每秒钟 到达的光波就较少，于是光就会向可见光谱的低频端（即 红端）偏移．
显。只有速度适中的原子多普勒频移 量基本适合,其速度明显被降低。激光 减速的结果是,使原来热原子束很宽的 原子速度分布被压窄,并被移到低速区.
内容提要
•多普勒效应简介 •多普勒冷却机制 •多普勒冷却的极限
多普勒冷却的极限
一方面，多普勒冷却理论是设原 子具有简单的二能级谱。实际上，真 正的原子都具有多个超精细能级（塞 曼子能级），原子在散射光子的过程 中，通过自发辐射回到基态的过程中， 有可能落到其它与激光非共振的超精 细能级上，这部分原子不再与激光场
原子气体的多普勒冷却
武寄洲
内容提要
•多普勒效应简介 •多普勒冷却机制 •多普勒冷却的极限
内容提要
•多普勒效应简介 •多普勒冷却机制 •多普勒冷却的极限
The Royal Swedish Academy of Sciences
Nobel Prize in Physics 1997
has awarded the 1997 Nobel Prize in Physics jointly to:
Steven Chu (朱棣文)
Stanford University USA
C. Cohen-Tannoudji
Ecole Normale Superieure & College de France France
Williams Phillips
National Institute of Standards & Technology USA