激光結(jié)課論文

PAGEPAGE1《激光技術(shù)與應(yīng)用》課程論文激光冷卻技術(shù)專業(yè)：班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：提交日期：

激光冷卻技術(shù)摘要:作為新技術(shù)領(lǐng)域的激光冷卻，它是利用激光和原子的相互作用減速原子運(yùn)動(dòng)來(lái)獲得超低溫原子的技術(shù)。早期用于精確測(cè)量各種原子參數(shù)，簡(jiǎn)單敘述了該項(xiàng)技術(shù)的工作原理，對(duì)于實(shí)現(xiàn)玻色愛因斯坦凝聚態(tài)有著不可或缺的作用。闡述了激光冷卻與多普勒原理，提出了激光冷卻在連續(xù)補(bǔ)償多普勒頻移和光抽運(yùn)效應(yīng)上的問題以及針對(duì)這兩個(gè)問題的具體分析。介紹了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，如目前天宮二號(hào)上的空間冷原子鐘。最后對(duì)該項(xiàng)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展做簡(jiǎn)單的分析。關(guān)鍵詞：激光冷卻；玻色-愛因斯坦凝聚；原子鐘；激光；空間冷原子鐘；多普勒原理Abstract:Asanewtechnology,lasercoolingisatechniquetoobtainultralowtemperatureatomsbyusinglaserandatominteractiontoslowdownatomicmotion.Intheearlystage,itwasusedtopreciselymeasurevariousatomicparameters,andtheworkingprincipleofthistechniquewasbrieflydescribed.ItisindispensablefortherealizationofBoseEinsteincondensates.TheprincipleoflasercoolingandDopplerisexpounded.TheproblemsoflasercoolingincontinuouscompensationofDopplerfrequencyshiftandopticalpumpingeffectareputforward,andtheconcreteanalysisofthesetwoproblemsisalsopresented.Theapplicationofthistechnique,suchasthespacecoldatomicclockinheavenlypalaceNo.two,isintroduced.Finally,abriefanalysisofthefuturedevelopmentofthetechnologyisgiven.Keywords:LaserCooling;BoseEinsteinCondensates;AtomicClock;SpaceColdAtomicClock;DopplerPrinciple;Laser隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們的生活逐漸發(fā)生著變化，自1960年激光誕生以來(lái)伴著激光器的發(fā)明越來(lái)越多的新技術(shù)被發(fā)掘出來(lái)，在各行各業(yè)上，及其廣泛，有激光電影、激光手術(shù)、激光針灸、激光裁剪、激光焊接、激光唱片、激光測(cè)距儀、激光炸彈、激光雷達(dá)、激光槍、激光炮等等。激光還能用來(lái)冷卻原子，為驗(yàn)證相對(duì)論和實(shí)現(xiàn)愛因斯坦的科學(xué)預(yù)言提供了必要的物理手段，同時(shí)利用超冷原子氣體研制的高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的原子鐘可在更高精確度上測(cè)量引力紅移、原子結(jié)構(gòu)常數(shù)的演化和光的各向異性。不僅如此激光冷卻氣體原子也是實(shí)現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚必不可少的深度冷卻過程。因?yàn)榧す忸l率掃描法是通過改變激光頻率來(lái)適應(yīng)原子的減速過程，但是對(duì)激光器的要求非常高，如鈉原子需要激光頻率的改變率為1500左右，同時(shí)激光掃描是周期性的，一個(gè)掃描周期產(chǎn)生一團(tuán)減速原子束，減速原子呈脈沖式，并非連續(xù)的，所以一般不采用此方法；而原子共振頻率變化法中激光頻率保持不變，通過改變?cè)拥墓舱耦l率來(lái)補(bǔ)償多普勒頻移可以利用在原子束減速途徑上設(shè)置隨空間變化的電磁場(chǎng)，利用變化的塞曼或斯塔克效應(yīng)隨時(shí)調(diào)整，使失諧與原子速度的變化相匹配。1.1.2.2克服光抽運(yùn)效應(yīng)實(shí)際上用于激光減速的原子，基態(tài)具有多個(gè)能級(jí)（如超精細(xì)結(jié)構(gòu)）。原子吸收光子減速后，自發(fā)輻射出光子回到基態(tài)時(shí)可能落到其他能級(jí)，這時(shí)原子共振頻率變化，單色性好的激光不能被吸收，即不能被減速。對(duì)此通常采用循環(huán)躍遷光減速和反抽運(yùn)激光相結(jié)合的方法。循環(huán)躍遷是指，原子在吸收單色共振光上升到激發(fā)態(tài)以后，通過自發(fā)輻射回到基態(tài)時(shí)只能落到原來(lái)的狀態(tài)。這樣，原子只能在上下兩能級(jí)間周而復(fù)始地躍遷構(gòu)成一準(zhǔn)二能級(jí)系統(tǒng)?？梢岳脝紊瓗Ъす獾哪芗?jí)選擇激發(fā)法和偏振光激發(fā)法來(lái)完成。反抽運(yùn)激光，起“撿漏”的作用，把因光抽運(yùn)“漏走”的原子重新?lián)旎氐綔p速過程中來(lái)。這樣的激光必不可少，因?yàn)樵蛹ぐl(fā)次數(shù)達(dá)幾百萬(wàn)次以上，一旦“漏走”，便不能再次參與減速，所以真正能被減速的原子會(huì)變得很少。同時(shí)也需要補(bǔ)償多普勒頻移。2激光冷卻的應(yīng)用2.1玻色一愛因斯坦凝聚的實(shí)現(xiàn)1924年，印度物理學(xué)家玻色最先提出了一種對(duì)光子的統(tǒng)計(jì)方法。1925年，愛因斯坦將玻色的理論推廣到有質(zhì)量的原子體系中，預(yù)言了一種新的物質(zhì)狀態(tài)的存在。根據(jù)預(yù)言，在極低的溫度下，由服從玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)的原子構(gòu)成的氣體可能會(huì)發(fā)生神奇的轉(zhuǎn)變，處于最低的能量狀態(tài)上的原子數(shù)目會(huì)隨著溫度的降低逐漸增大，直到幾乎所有的原子都處于這一個(gè)能量狀態(tài)上，而整體呈現(xiàn)出一個(gè)量子狀態(tài)。這種狀態(tài)后來(lái)被稱為“玻色-愛因斯坦凝聚”，是很多實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家致力實(shí)現(xiàn)的預(yù)言。玻色一愛因斯坦凝聚的實(shí)現(xiàn)具有重大的科學(xué)意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。首先它證實(shí)了一個(gè)新物態(tài)的存在，這是用相干波函數(shù)描述的物態(tài)，為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家提供了獨(dú)一無(wú)二的新介質(zhì)，大大推動(dòng)了原子光學(xué)的發(fā)展。利用物質(zhì)波的相干性開拓了很多新的研究領(lǐng)域。BEC是一個(gè)相干物質(zhì)波源，可用于進(jìn)行原子激光的產(chǎn)生和放大研究。其次，BEC的研究使人們更深刻的認(rèn)識(shí)早已在凝聚態(tài)物理中的超流和超導(dǎo)問題。BEC還提供了一個(gè)平臺(tái)進(jìn)行其他量子物理現(xiàn)象的研究。玻色一愛因斯坦凝聚研究在應(yīng)用技術(shù)方面也十分重要。已提出了很多新設(shè)想來(lái)改善精密測(cè)量的準(zhǔn)確度，如原子物理常數(shù)測(cè)量，微重力測(cè)量和研制原子干涉儀和原子鐘等。實(shí)現(xiàn)原子系統(tǒng)的玻色愛因斯坦凝聚的關(guān)鍵技術(shù)是激光冷卻，它是二十世紀(jì)八十年代中期后發(fā)展起來(lái)的。大家都知道，溫度是與微觀粒子的無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)速度成正相關(guān)，而激光冷卻原子，就是通過降低原子的運(yùn)動(dòng)速度，來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻。我們將激光的波長(zhǎng)選擇在原子譜線波長(zhǎng)略微比中心位置長(zhǎng)一些的一側(cè)，那么由于多普勒效應(yīng)，向著激光運(yùn)動(dòng)的原子感受到的波長(zhǎng)會(huì)顯得短一些，因此作用強(qiáng)烈；而背離激光運(yùn)動(dòng)的原子感受到的波長(zhǎng)會(huì)更長(zhǎng)一些，因此作用很弱。這樣，如果在前后左右上下六個(gè)方向都有一束激光的話，就可以把原子的速度降低下來(lái)。通過這種方法，可以將原子氣體的溫度降低到絕對(duì)零度之上大約千分之一攝氏度。在經(jīng)過蒸發(fā)冷卻，來(lái)實(shí)現(xiàn)玻色一愛因斯坦凝聚。2.2原子鐘的研究激光冷卻氣體原子使進(jìn)一步提高原子鐘性能成為可能。原子鐘-原子頻率標(biāo)準(zhǔn)給出了人類各種活動(dòng)的時(shí)間尺度，它對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展始終起著重要作用。2.2.1原子鐘原理圖3原子鐘的原理圖如圖3所示，原子鐘是由振蕩器發(fā)出微波或光信號(hào)，利用精密度極高且可調(diào)的乘法器(微波/光頻鏈路)與原子介質(zhì)發(fā)生作用，然后通過探測(cè)原子介質(zhì)躍遷后的能態(tài)變化以鎖定振蕩器，從而使振蕩器輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)。這便是原子鐘最基本的部分一一原子頻標(biāo)。原子頻標(biāo)與頻率計(jì)數(shù)和積分等計(jì)時(shí)器功能鎖定在一起就構(gòu)造成真正實(shí)用的原子鐘。2.2.2冷原子鐘英國(guó)NPL的Essen和Parrv根據(jù)分離振蕩場(chǎng)技術(shù)在1955年成功研制出世界上第一臺(tái)可靠的銫原子束鐘。1960年Ramsev在國(guó)際上首次成功研制了氫原子鐘.但是這兩種鐘的穩(wěn)定度和精度不高。1953年Zacharias提出了原子噴泉方案，這一思想后來(lái)成了現(xiàn)代的原子噴泉鐘的理論基石。1991年華裔物理學(xué)家朱棣文首先提出冷原子噴泉的設(shè)想，并成功地用鈉原子()實(shí)現(xiàn)了冷原子噴泉。中國(guó)計(jì)量院fNIM)在國(guó)內(nèi)最早開展并成功研制了第一臺(tái)銫噴泉原子頻標(biāo)NIM-4#}鐘，隨后又研制的NIM-5#}在2014年8月加入到TAI報(bào)數(shù)系統(tǒng)。從表1中可以清晰地看到原子的冷熱對(duì)于原子鐘的性能而言是一個(gè)至關(guān)重要的因素。表1性傳統(tǒng)銫束管、噴泉鐘以及空間鐘各種參數(shù)的比較限制作用時(shí)間譜線寬度準(zhǔn)確度傳統(tǒng)銫束管原子熱運(yùn)動(dòng)100ms量級(jí)10~100Hz最高噴泉種重力1s量級(jí)~1Hz量級(jí)空間冷原子鐘殘余重力冷原子的熱運(yùn)動(dòng)10s量級(jí)0.1Hz量級(jí)預(yù)期達(dá)到量級(jí)采用3對(duì)互射的激光束將原子群困在光子場(chǎng)中，原子受到光壓的作用而逐漸減速最終形成球狀原子團(tuán)，其溫度在量級(jí)，這個(gè)原子團(tuán)被稱作“光學(xué)黏團(tuán)”。然后關(guān)閉水平方向的激光，將豎直方向上下兩束激光的頻率分別減小和增大，使其推動(dòng)冷原子團(tuán)以cm/s量級(jí)的速度豎直向上移動(dòng)。關(guān)于冷卻和俘獲激光的設(shè)置目前有三種方案：第一種是3對(duì)激光沿水平和豎直方向排布，這種方案的缺點(diǎn)是一束激光對(duì)要穿過微波腔可能造成電磁干擾，如圖4左圖；第二種是3對(duì)激光不在水平和豎直方向，這種方案需要在冷原子被俘獲后再加上移動(dòng)光學(xué)黏團(tuán)技術(shù)的支持，如圖4右圖；第三種是中國(guó)科學(xué)家王育竹提出的積分球冷卻法嘲，其主要特點(diǎn)是全光性、低功耗，可以捕獲比光學(xué)黏團(tuán)更多的原子。圖4現(xiàn)代原子噴泉鐘的結(jié)構(gòu)圖2.2.3空間冷原子鐘雖然冷原子噴泉鐘與傳統(tǒng)的原子束鐘相比其穩(wěn)定度和精度都有了很大的提高，但是在原理上，重力成就了它也極大地限制了它。為了突破重力對(duì)提高原子鐘精度的限制，科學(xué)家們把目光轉(zhuǎn)向了空間微重力環(huán)境，這是空間冷原子鐘研究的原始動(dòng)力。表2給出了地面實(shí)驗(yàn)和微重力環(huán)境實(shí)驗(yàn)的對(duì)比情況。表2傳統(tǒng)銫束管、噴泉鐘以及空間鐘各種參數(shù)的比較空間冷原子鐘是基于地面冷原子噴泉鐘發(fā)展而來(lái)的。如圖5所示：原子在被正交互射的激光冷卻俘獲之后采用移動(dòng)光學(xué)黏團(tuán)(molasses)技術(shù)將其向右輕輕推出；然后通過一個(gè)微波選態(tài)腔(初態(tài)制備)使冷原子更多地聚集在基態(tài)的一個(gè)超精細(xì)能級(jí)上；接著再利用一束選態(tài)激光將處于其他精細(xì)能級(jí)的原子打掉；最后讓完全處于單量子態(tài)的原子均勻而超緩慢地進(jìn)入并通過一個(gè)環(huán)形微波腔，使之與微波發(fā)生兩次作用實(shí)現(xiàn)原子的超精細(xì)能級(jí)躍遷；在環(huán)形微波腔的右側(cè)通過雙能級(jí)探測(cè)器便可以測(cè)出處于不同量子態(tài)上的原子數(shù)，進(jìn)而算出其躍遷幾率。此外，原子鐘的鑒頻譜線Ramsev條紋的獲取是通過掃描微波頻率實(shí)現(xiàn)的?？臻g冷原子鐘與地面噴泉鐘相比精確度更高，原因是超慢速移動(dòng)的冷原子團(tuán)不僅有更長(zhǎng)的時(shí)間與微波發(fā)生作用，而且降低了微波腔的相移。圖5空間冷原子鐘工作原理3總結(jié)對(duì)于激光冷卻這項(xiàng)技術(shù)，未來(lái)還有待提升，其在現(xiàn)如今便具有非常多的用途，無(wú)論是對(duì)于玻色一愛因斯坦凝聚的實(shí)現(xiàn)的研究還是原子鐘方向的發(fā)展，都有著不可或缺的作用，也是以為這項(xiàng)技術(shù)原子鐘得以發(fā)展，精度越來(lái)越高，更是發(fā)展到了太空當(dāng)中，如天宮二號(hào)上的“手表”空間冷原子鐘。這一項(xiàng)研究進(jìn)展是的原子鐘更加精確同時(shí)也大幅度提高了衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)的定位精確度。相信未來(lái)的發(fā)展將會(huì)繼續(xù)推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)，使其更加完美。同時(shí)也對(duì)那些科學(xué)家們的傾力付出致以敬意。參考文獻(xiàn)王義遒.原子的激光冷卻與陷俘[M].北京：北京大學(xué)出版社，2007：120..王育竹,徐震.激光冷卻及其在科學(xué)技術(shù)中