激光冷却 微粒操纵

光捕获
光捕获法是利用光的力学作用，对微米以下的 微小物体，用激光束夹住并使其移动的技术
光子具有一定的动量 当光入射到微粒上 时，光动量将随着与微粒的相互作用中所产生的 反射、折射、吸收等过程而变化。而力又由动量 的变化所产生，பைடு நூலகம்果在Δt时间内动量的变化量为 ΔP，那么其产生的力F可由下式表示：
F P t
h P k， 2
光捕获
光捕获
影响因素：微粒半径、光束的空间分布、光波长 注意点：只是产生是微粒平移的力，而不产生旋转运动。 应用：P266 利用光捕获的“光镊”新技术以成功地捕捉了包括病毒、 细菌、酵母细胞和红细胞等在内的各种显微镜下可见的生 物体。 观察从微米至纳米级空间中影响微粒的力学效应的重要的 测定手段。 单一有机微粒的制作。

由于原子速度可正可负，就用两束方向相反 的共振激光束照射原子如图。这时原子将优先吸 收迎面射来的光子而达到多普勒冷却的结果。
实际上，原子的运动是三维的。1985年贝尔实 验室的朱棣文小组就用三对方向相反的激光束分 别沿x，y，z三个方向照射钠原子（下图），在 6束激光交汇处的钠原子团就被冷却下来，温度 达到了240K。
想一下冲量定理 F t P 的使用条件？？ 合
1.光捕获 2.单一有机微粒的制作 3.细胞操纵与细胞融合 激光操纵微 粒
光捕获原理的几何光学分析法
F 光束，合 t P
折射引起的力的作用
F 光束，合
F 微粒球，合
作用力于反作用力的关系，知微粒球收到的力的方向
新型冷却方法——激光冷却（对原子）
what ? 激光冷却
利用激光和原子的相互作用减速原子运 动以获得超低温原子的高新技术。
运动着的原子在共振吸收迎面射来的光子（图10-3）后， 从基态过渡到激发态，其动量就减小，速度也就减小了。 速度减小的值为
温度也就降低了。由于这种减速实现时必须考虑入射光子 对运动原子的多普勒效应，所以这种减速就叫多普勒冷却。
why ? 激光冷却
激光冷却的理论发展 当原子在频率略低于原子跃迁能级差且相向传播的一对激光 束中运动时，由于多普勒效应，原子倾向于吸收与原子运 动方向相反的光子，而对与其相同方向行进的光子吸收几 率较小;吸收后的光子将各向同性地自发辐射。平均地看来， 两束激光的净作用是产生一个与原子运动方向相反的阻尼 力，从而使原子的运动减缓(即冷却下来)。 1985年美国国家标准与技术研究院的菲利浦斯(willam D.Phillips)和斯坦福大学的朱棣文(Steven Chu)首先 实现了激光冷却原子的实验，并得到了极低温度(24μK) 的钠原子气体。他们进一步用三维激光束形成磁光讲将原 子囚禁在一个空间的小区域中加以冷却，获得了更低温度 的"光学粘胶"。
朱棣文的三维激光冷却实验简介
朱棣文的三维激光冷却实验装置中， 在三束激光交汇处，由于原子 不断吸收和随机发射光子，这 样发射的光子又可能被邻近的 其他原子吸收。一种捕获原子 使之集聚的方法是利用“原子 阱”，这是利用电磁场形成的 一种“势能坑”，原子可以被 收集在坑内存起来。一种原子 阱叫“磁阱”，它利用两个平 行的电流方向相反的线圈构成 （图10-6）。
之后，许多激光冷却的新方法不断涌现，其中较著名的有"速 度选择相干布居囚禁"和"拉曼冷却"，前者由法国巴黎高 等师范学院的柯亨-达诺基(Claud Cohen-Tannodji) 提出，后者由朱棣文提出，他们利用这种技术分别获得了 低于光子反冲极限的极低温度。 此后，人们还发展了磁场和激光相结合的一系列冷却技术， 其中包括偏振梯度冷却、磁感应冷却等等。朱棣文、柯亨达诺基和菲利浦斯三人也因此而获得了1997年诺贝尔物 理学奖。
单一有机微粒的制作
激光的聚光斑点直径是波长级的，因此10nm级 的超微粒被吸引到焦点上形成单一微粒。图108模式方法表现其状态.
细胞操纵与细胞融合.
光镊子 利用高度聚焦的激光微束所形成的光学梯度势阱来实现对 微米量级乃至纳米量级粒子的束缚和操纵的。
时间安排
11.18 11.20 11.27 12.2 12.3 12.10 12.14 小组讨论（组织：赖啟峰） 材料搜集 （赖啟峰、丘海哩） PPT制作（曾银龙、林新娟） PPT后期审查（陈青华、陈绍东） PPT完成 PPT试讲 、修改 演讲
激光冷却与微粒操纵
目录：
激光冷却
操纵微粒
概要
光捕获
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激光冷却 前言
冷却：使热物体的温度降低而不发生相变 化的过程
为什么要冷却? 把不需要的热量导引到空气中，或者科研实验、现实 生活需要低温条件时。 常见的冷却方法——水冷法，气冷法
如何精确测量各种原子参数，用于高分辨率激光光谱 和超高精度的量子频标(原子钟）
激光冷却与微粒操纵
how? 激光冷却的应用
激光冷却早期的主要应用于精确测量各种原子参数， 用于高分辨率激光光谱和超高精度的量子频标(原子 钟)
激光冷却有许多应用 原子光学、原子刻蚀、 原子钟、光学晶格、光 镊子、玻色-爱因斯坦凝 聚、原子激光、高分辨 率光谱以及光和物质的 相互作用的基础研究等 等。
华裔诺贝尔物理学奖获得者 朱棣文 Steven Chu
激光冷却的优点 1、冷却效果显著，能达到极低温。 10 2、能实现对单个原子的操纵 3、波色-爱因斯坦凝聚现象的观察 4、速度快
1 0
K
87
Rb Rb
波色和爱因斯坦分别于1924年预言的。指的是宏观数目的粒子（玻色子） 处于同一个量子基态。它实现的条件是粒子的德布罗意波波长大于粒子的间 距。1995年7月起分别实现了 Rb、Li、Na原子的波色-爱因斯坦凝聚。