1、激光制冷中的一個很重要的技術(shù)就是多普勒冷卻技術(shù),多普勒冷卻技術(shù)的原理就是通過激光發(fā)出光子來阻礙原子的熱運動,而這個阻礙過程則是通過減小原子的動量來實現(xiàn)的。那么,激光究竟是如何來減小這些原子的動量呢?
首先,量子力學(xué)提出,原子只能吸收特定頻率的光子,從而改變其動量。多普勒效應(yīng)指出,波在波源移向觀察者時頻率變高,而在波源遠離觀察者時頻率變低。當觀察者移動時也能得到同樣的結(jié)論。
同樣,對于原子也是如此,當原子的運動方向與光子運動相反時,則此光子的頻率將增大,而當原子運動方向于此光子運動方向相同時,則此光子頻率將減小。然后的話,另一個物理學(xué)原理就是光雖然沒有靜質(zhì)量,但其具有動量。那么綜合以上幾個個物理學(xué)特性,我們就能構(gòu)建出激光冷卻的簡單模型。
2、激光器的頻率在一定范圍內(nèi)是可調(diào)的,而把激光器的頻率調(diào)至略低于某原子的可以吸收的頻率時,就會有意想不到的結(jié)果。當用這樣一束光照射某一特定的原子時,就會發(fā)生這樣的情況。如果原子是向著激光束運動時,由于光的多普勒效應(yīng),則光子的頻率增加,而原來激光光子的頻率剛好是略小于原子的可吸收的頻率,則此時由于多普勒效應(yīng)則剛好被原子吸收。
而這一吸收表現(xiàn)為動量改變。因為光子的運動方向與原子的運動方向相反,則在光子與原子碰撞之后,原子躍遷到激發(fā)態(tài),并且動量減小,故動能也隨之減小。而對于其他運動方向的原子,則其對應(yīng)的光子的頻率不會增加,所以不能吸收激光束中的光子,所以也不會有動量增加這一現(xiàn)象的發(fā)生,相對于動能來講也是一樣。
當我們用多束激光從不同角度來照射原子,則在不同運動方向上的原子的動量都會減小,從而動能減小。而由于在激光只減小原子的動量,所以在此過程持續(xù)一段時間后,大多數(shù)的原子的動量就會達到一個很低的水準,從而達到制冷的目的。
但此技術(shù)所應(yīng)用的范圍大多是用于原子冷卻,而對于分子,這種方法很難將其冷卻到超低溫。但超冷分子比超冷原子的意義更大,因為其屬性更為復(fù)雜。目前,冷卻分子的方法是將超冷堿原子結(jié)合在一起,產(chǎn)生雙堿分子。不久之前,耶魯大學(xué)就曾經(jīng)將氟化鍶(SrF)冷卻到幾百微開。
另一種激光制冷也稱反斯托克斯熒光制冷,是正在發(fā)展的新概念的制冷方法其基本原理是反斯托克斯效應(yīng),利用散射與入射光子的能量差實現(xiàn)制冷。反斯托克斯效應(yīng)是一種特殊的散射效應(yīng),其散射熒光光子波長比入射光子波長短。
因此,散射熒光光子能量高于入射光子能量,其過程可簡單理解為:用低能量激光光子激發(fā)發(fā)光介質(zhì),發(fā)光介質(zhì)散射出高能量的光子,將發(fā)光介質(zhì)中的原有能量帶出介質(zhì)而制冷。與傳統(tǒng)制冷方式相比,激光起到了提供制冷動力的作用,而散射出的反斯托克斯熒光則是熱量載體。
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