现代光学激光冷却的应用

激光冷却的应用摘要：激光冷却气体原子及其在科学技术中的应用研究是量子光学研究中最为活跃的前沿研究领域。它的成果将不仅具有重要的科学价值和应用价值,而且在这个研究领域中充满了挑战和创新的机遇。本文将从玻色-爱因斯坦凝聚、提高原子钟性能、激光冷却稠密气体、激光冷却半导体材料四个例子简述一下激光冷却的一些应用。关键词：激光冷却玻色-爱因斯坦凝聚原子钟稠密气体半导体材料正文：1．玻色-爱因斯坦凝聚为了实现玻色-爱因斯坦凝聚，美国克罗拉多大学的威曼(C.E.Wieman)小组使用了混合的冷却方法。首先在磁光阱中，利用激光冷却原子的技术冷却和捕获约107个原子，原子温度为20μK。这时去除激光，因为它已不可能进一步冷却原子和捕获更多原子。同时急剧地增加四极矩磁场，使原子的弹性碰撞速率增大约5倍。这时陷阱中存有4×106个原子，密度为2×1010/cm3，温度为90μK。然后开始蒸发冷却，用射频场来释放出高动能的原子，即将高动能原子在射频激发下，从束缚状态跃迁到非束缚状态从磁阱中逸出，而剩余的原子经过弹性碰撞重新在能态上布居。经蒸发冷却后磁陷阱中尚有2×104个原子，原子密度达到3×1012/cm3，原子气体温度达到170nK。这时已达到产生玻色-爱因斯坦凝聚的条件，突然间出现玻色-爱因斯坦凝聚现象。2.提高原子钟性能激光冷却气体原子使进一步提高原子钟性能成为可能。目前的研究工作已转向在空间环境上进行实验，研制空间原子钟。由于空间实验室有一个良好的微重力环境，激光冷却气体原子可到更低的温度。因此选用更慢的原子，可获得更窄的Ramsey干涉条纹，同时可消除多项影响频率稳定度和准确度的物理因素。利用超冷原子制成的空间原子钟的稳定度和准确度有望优于10-17。近些年人们正研究利用量子光学新原理与激光冷却技术结合研制原子钟。如双光子过程可诱导介质的电磁感应透明现象、量子信息存储等。利用这个现象可提高探测信号的信噪比和压缩谱线宽度，研制相干布居数囚禁(CPT)原子钟或微波激射器(CPT-Maser)等新型原子钟。另一方面，由于激光冷却技术、超冷原子光谱、飞秒脉冲锁相技术的突破性发展，建立了飞秒光梳。从而建立了连接微波段和光波段电磁波的频率链，或称光频链。这项成就使得在光频段进一步提高测量原子分子光谱的精密度成为可能。利用光梳进行的频率比，其比对精度达到10-19。这样就为建立统一的微波频标和光频标系统，提供了基本条件。利用激光冷却技术研制光频标也取得重大进展。美国标准局和日本计量院利用囚禁于光势阱中的锶(Sr)，获得了超窄光谱线和找到了“魔术”频率，使光频移达到最小。实际上找到了利用光频移效应补偿钟跃迁频率的移动，预期可研制成功1×10-18准确度和稳定度的光频标。3.激光冷却稠密气体德国波恩大学的研究人员发现一种新方法，可以在几秒内使稠密的铷气体的温度发生骤降。而在之前的研究中，科学家只能利用激光急速“过度冷却”被稀释的气体。这项新技术有望用来提高某些太空观测设备的精确度，比如冷却用以观测恒星的热感照相机，减少噪音。研究人员对这种红光激光的频率进行调整，令其光束仅影响相互碰撞的原子。他们利用这种激光照射处于高压“氩大气”的铷气体原子。氩是一种惰性气体，不会轻易同其他元素的原子发生反应。在铷原子轰击氩原子的瞬间，铷可以从激光器中吸收光子。此时，吸收的光子就好像是一个突然支撑起两个原子的强有力的弹簧，减缓了原子在试图飞离时的速度。但是，在某一个时刻，这根“弹簧”伸展的幅度将会非常大，以致两个原子的链结断裂，原子就会作为发散荧光被释放出来。在这种情况下，如果要减缓原子的速度还需要更多的能量，所以这个过程耗掉的能量就用以冷却铷气。在实验中，铷气的温度在几秒钟内便从350℃骤降至280℃。4.激光冷却半导体材料激光冷却是产生超冷原子的常用办法，最近，美国约翰霍普金斯大学的Ja-cobKhurgin却创造性地提出用激光来冷却半导体材料。虽然还没有实验验证他的想法，但他认为他的想法可能给红外探测器及其它电子器件带来更有效的冷却方式。材料如果吸收一个光子然后再发射出一个更高能量的光子，其温度就会下降。这种效应被称为反斯托克斯光致发光，自20世纪60年代中期就开始用来冷却各种掺杂镱及其它重土元素的玻璃。然而，激光冷却半导体材料却非常困难，原因在于半导体材料吸收光子产生的电子-空穴对复合产生更高能量光子的机会微乎其微。复合也一般是产生并传递给周围的晶格。即使存在光子再辐射，新光子也很有可能被半导体重新吸收。Khurgin的办法是把一小块金属(如银)放在相距该半导体大约10nm的地方。这样做的目的是利用金属表面存在的表面等离子激元(SPPs)的冷却效应。SPPs是一种量子振荡，源于光与金属传导电子的相互作用。虽然SPPs一般存在于金属表面，但Khurgin计算发现如果金属和半导体表面间距很小，通过电子-空穴对复合就会在半导体材料内部产生SPPs。Khur-gin计算还发现几乎所有的这些SPPs都将会透出半导体，99.9%的能量会积沉在金属中，从而达到冷却半导体材料的目的。参考文献：[1]激光冷却稠密气体[J].激光与光电子学进展，2009,10:12[2]刘广荣.激光冷却半导体材料[J].半导体信息，2007,5:39[3]王育竹.激光冷却及其在科学技术中的应用[J].物理学进展，2005,25(4)：347