第十章 激光冷却原子
【高中物理】囚禁冷却的原子和“原子激光”
【高中物理】囚禁冷却的原子和“原子激光”不像电子，原子在室温下都有强烈的扩散运动，打开一瓶香水，整个房间会闻到香味。
因此，要囚禁原子，首先要把它们的温度冷却到绝对零度附近，一般要求到十万分之一至百万分之一开尔文。
这时原子的热运动十分弱，在三个方向上用激光照射被冷却的原子，原子将停留在激光电场波动的谷内。
实验上已经可将成千上万个原子囚禁在一个很小的范围内。
有趣的是所有的原子还具有同样的动量。
如果将它们发射出来，这一束原子具有与激光一样的性质，即空间和时间的相干性。
人们正在思考如何利用这束原子“激光”。
初步认为在通信和物质探索上会有重要的应用。
纳米加工技术做成的微型机械零件纳米加工技术和“小鸟卫星”为了研究纳米科学和应用纳米科学的研究成果，首先要能按照人们的意愿在纳米尺寸的世界中自由地剪裁、安排材料，这一技术被称为纳米加工技术。
实际上，一方面纳米加工技术是纳米科学的重要基础，另一方面纳米加工技术中包含了许多人们尚未认识清楚的纳米科学问题。
比如说，在一粗细为几纳米的孔或线里，原子的扩散就和宏观世界里的扩散大不一样。
一般而言，原子运动的自由程为几个微米，在此长度上，原子发生碰撞，进行热扩散器壁的作用可忽略不计。
可在纳米孔或线内，原子的扩散主要靠与孔壁的碰撞来完成的。
再举一个例子，一般认为物体之间相互运动时的摩擦力主要来源于物体表面的不平整性，即物体表面越光滑，它们之间的摩擦力就越小。
在纳米世界里，材料表面很小，相互之间距离很近，以至于使两块材料表面上的原子会发生化学键合而产生对相互运动的阻力。
因此，在纳米世界内，所有的加工都必须在原子尺寸的层面上考虑。
纳米加工技术可以使不同材质的材料集成在一起，它既具有芯片的功能，又可以探测到电磁波、光波（包括可见光红外、紫外线等）信号，同时还能完成电脑的命令。
如果将这一集成器件安装在卫星上，可以使卫星的重量大大地减小。
当前人们已经在考虑用“小鸟”卫星部分地代替现有的卫星系统。
原子的激光冷却及陷俘研究
原子的激光冷却及陷俘研究激光冷却和陷俘是现代原子物理和量子物理研究中的重要技术手段。
通过激光冷却，科学家可以将原子降温到极低的温度，甚至冷却到接近绝对零度，这为原子和分子的量子行为研究提供了良好的实验条件。
通过陷俘技术，科学家可以将冷却后的原子囚禁在精密的磁场或光场中，实现原子的精密操控和量子信息处理。
本文将介绍原子的激光冷却及陷俘研究的基本原理和最新进展。
一、激光冷却的基本原理激光冷却是一种利用激光对原子进行冷却的技术。
在20世纪80年代，美国的斯蒂文·肖和克劳斯·冯·克莱高认识到，激光可以对原子施加一个反向的动量，并将原子从热运动中捕获并冷却。
他们于1997年获得了诺贝尔物理学奖，以表彰他们对激光冷却的开创性研究。
激光冷却的基本原理如下：1. 蓝移：当激光与原子发生相互作用时，激光的能量可以被原子吸收，使得原子的能级发生变化。
如果激光的频率高于原子的共振频率，原子将吸收激光的能量并向前运动。
这种现象称为蓝移，是激光冷却的基础。
2. 随机行走：在蓝移的作用下，原子由于吸收激光的能量而受到推动，但同时又受到来自热运动的影响。
这使得原子表现出随机的运动，即随机行走。
通过控制激光的参数，可以使原子在随机行走的过程中逐渐减速并冷却。
3. 冷却限：由于不确定性原理的限制，原子无法被冷却到绝对零度，存在一个极限温度，称为冷却限。
冷却限是激光冷却的一个重要参数，科学家们通过不断改进激光系统和优化实验条件，努力突破冷却限，实现极低温度的原子冷却。
二、陷俘技术的基本原理陷俘技术是一种利用精密场控制原子运动的技术。
常见的陷俘方法包括磁光陷阱、磁力陷阱和光力陷阱等。
通过陷俘技术，科学家可以将冷却后的原子囚禁在一个小区域内，并对其进行精密操控和测量。
陷俘技术的基本原理如下：1. 势能陷阱：通过磁场或光场的调控，可以在空间中产生一个势能曲面，使得原子被束缚在一个小区域内。
这种势能曲面称为陷阱，可以是静态的，也可以是时间变化的。
原子的激光冷却及陷俘研究
原子的激光冷却及陷俘研究激光冷却是一种通过激光技术使原子减少热运动而实现冷却的方法。
在原子物理学中，冷却原子是一项重要的研究领域，可以帮助我们更好地理解原子的性质和行为。
激光冷却的原理是利用激光的光压效应，将激光束作用于原子，使原子受到反向的力，从而减少其动能。
当激光的频率比原子的共振频率略高时，原子会吸收激光并受到反向压力。
而当原子的动能减小到与冷却材料的温度相当时，原子将被捕获并形成一个低温原子云。
目前，利用激光冷却的方法已经成功地将气体原子冷却到微开尔文（mK）的温度，甚至更低。
这种低温原子云的研究对于量子物理学以及精密测量技术有着重要的应用价值。
利用冷原子云可以研究量子纠缠和相干性，进一步探索量子计算和量子通信等领域。
除了激光冷却，陷俘技术也是研究原子物理学的重要手段之一。
陷俘是指利用电磁场或激光束来限制原子的运动，使其被捕获在一个特定的空间区域内。
陷俘可以通过多种方式实现，如磁陷俘和光陷俘等。
磁陷俘通常使用磁力场来限制原子的运动。
通过改变磁场的强度和方向，可以影响到原子的运动轨迹。
磁陷俘可以实现对原子的冷却和定位，在原子物理学实验中有着广泛的应用。
光陷俘是另一种常用的陷俘方法，它利用激光束对原子施加光场势能。
通过光学力和引力效应，原子被限制在一个光学陷阱中。
光陷俘具有很高的选择性，可以选择性地捕获不同能级的原子。
激光冷却和陷俘技术的研究对于原子物理学和凝聚态物理学有着重要的意义。
它们可以帮助我们更好地理解量子效应和量子现象，为精密测量和量子信息领域的发展提供基础。
这些技术也在制备冷原子时钟、构建量子计算机和实现量子隧道传输等方面具有重要的应用前景。
原子的激光冷却和陷俘研究是一项具有重要意义的研究领域。
通过这些技术，我们可以将原子冷却到极低的温度并进行精密控制，为量子物理学和精密测量学的发展做出贡献。
激光冷却
二、发展历史
1985 年 ， 朱 棣 文 用 “ 光 学 粘 胶 方 法 optical molasses ”,三对两两相向的激 光束相互垂直地相交，形成一个小区域， 240μK 1988 年 ， 用 速 度 选 择 相 干 捕 陷 方 法 ， 2μK 1992年，朱棣文用Raman冷却达到 100nK。
3、多普勒冷却的极限
当速度被降低后，其共振条件不再 能满足，减速的效果就会弱下去， 甚至停止。必须保证共振条件的持 续满足。
4、低于多普勒极限的冷却机制
光学粘胶方法 optical molasses， 光学粘胶+一束聚焦高斯激光束→激 光捕陷中性原子。
驻波场中的原子
驻波场中原子受的散射力
不论原子的速度是负(对着光波1)或正(对 着光波2)，所受的力都是与其速度方向 相反的阻滞力，并且在满足共振条件 Δ=±kv时，阻滞力F最大；在|v|较小的 区域，阻滞力具有线性特征.在光强较弱 的情况，很易得到 F=-βv
阻滞系数
光学粘胶
原子在这样的光场中就象进入了粘稠的 胶状物一样被减速，这种情况称形成了 一维的“光学粘胶”. 在激光冷却技术中，当原子运动速度低 到一定程度后，常用“光子粘胶”来进 一步冷却.
磁阱
光阱 磁光阱
0．8
2 120
104
Hale Waihona Puke 103 1071031012 1011
六、碱金属原子气体玻色-爱因 斯坦凝聚的实现
Bose-Einstein Condensation,BEC,1924 年Bose与Einstein各自独立提出。（宏观 数量的粒子可处于同一量子态。） 1993年实验上观察到了玻色-爱因斯坦 凝聚。
原子的激光冷却与量子控制技术
原子的激光冷却与量子控制技术人类对未知的探索历程可谓是一步一个脚印的前进，每一小步的跨越都源自于前人的经验积累和文献记录，其中自然科学领域的突破尤其令人瞩目。
本文将关注原子物理学中的一项技术——激光冷却与量子控制技术。
一、激光冷却技术激光冷却技术说起来并不算复杂，它主要是将光子的动量传递给自由空气分子，来降低分子的热运动速度，而减缓它的温度进而冷却物质。
当物质处于分子之间相互作用力很强的凝聚态时，传导热流困难，因而难以冷却。
而在惰性气体或原子等无相互作用的自由态时，能提供易于冷却的稳定基底，如惰性气体冷却法中的氦、氖和标准氧化铜等。
在这样的物质中，光子的动量传递给原子的激发态，随着自由空气分子的撞击，原子回到基态时会损失部分能量。
这便是激光冷却的原理。
通过激光光束的扫描和调节，可以制备出射流的原子束，随着激光光束的扩散，分子的平均速度进一步降低，物体表面几乎可以察觉到温度降低，并能近似于零度（近绝对零度，即温度为0K）。
相较于常规的制冷方式，激光冷却技术更为精确，也能够对不同的物质进行精细的控制。
二、量子控制技术所谓量子控制技术，就是一种可以控制和操作系统中所有量子力学理论的技术，核心思想也是基于算法的设计。
在计算机配置和物理控制等科技领域中有着重要的应用意义。
与激光冷却技术类似，量子控制技术也是由多个元件构成，其中包括操作方法、高频信号、量子扰动器和算法等模块。
这些元件共同形成了制造高清晰度照相机和天文望远镜等高端装置的核心组件。
它不仅可以满足技术方面的需求，还可以通过量子仿真方法来模拟和描述物理世界中的各种现象和行为。
总体来看，激光冷却技术和量子控制技术的共同点在于它们在探索更深层次的物质变化和物理变化上，发挥着重要的引导和推进作用。
这两种技术在未来的研究和应用中都有着广泛的应用前景，值得寻求更广泛而深入的探索。
既然讨论了激光冷却技术和量子控制技术，接下来我们来谈谈这两项技术的研究意义。
三、研究意义1、激光冷却技术激光冷却技术对物理学研究有着深远的影响。
10-2激光在科技前延问题中的应用-激光冷却
υ =
hν Mc
图10-3 原子吸收光子动量减小
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 ， 这种减速就叫多普勒冷却。 .由于原子速度 ，就 方 这时原子 吸收迎面射来的光子
10 2 激 光 冷 却 .
的共振激光 到多普勒冷却的
射原子（图1 。
）。
图10-4 方
的
激光 射原子
图10-5 三维激光冷却
图
10 2 激 光 冷 却 .
.朱棣文的三维激光冷却实验 ，在 三束激光交汇处， 原子 射光子， 射的光子 被 的 原子 。 原子 的方 是 用 原子 ， 是 用 的 势 ，原子 被 在 来。 原子 ， 用 个 的 方向相反的 （图页 回目录
第 十 章 激 光 在 科 学 技 术 前 沿 问 题 中 的 应 用
§
10.2 激光冷却
1. 20世纪80年代，借助于激光技术获得了中性气体分子的极低温（如，10–10K） 状态，实现了单个原子的操纵。这种获得低温的方法就叫激光冷却。 2.激光冷却的基本思想是：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
上一页 回首页 下一页 回末页 回目录
第 十 章 激 光 在 科 学 技 术 前 沿 问 题 中 的 应 用
§
10.2 激光冷却
4.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（图10-5），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。
激光冷却技术在原子物理中的应用
激光冷却技术在原子物理中的应用激光冷却技术是一种先进的物理实验技术，它在原子物理研究中起着重要的作用。
通过使用激光束对原子进行冷却，科学家们能够将原子的温度降低到极低的程度，从而使得原子的行为更加可控，开启了一系列令人惊叹的研究领域。
激光冷却技术的基本原理是利用激光束对原子施加光压，从而减慢原子的速度，使其温度降低。
这种技术的成功应用离不开两个重要的原子物理现象：多普勒效应和辐射压力。
多普勒效应是指当光源和物体相对运动时，光的频率会发生变化。
通过调整激光的频率，科学家们能够实现对原子的速度进行调控。
辐射压力是指光对物体施加的压力，这是由于光在物体表面反射和吸收的结果。
通过精确控制激光的强度和方向，科学家们能够对原子施加恰当的光压，从而冷却原子。
激光冷却技术的应用之一是制备玻色-爱因斯坦凝聚体。
玻色-爱因斯坦凝聚体是一种量子态，它是由一群玻色子组成的超冷原子气体。
在常规条件下，玻色子会遵循泡利不相容原理，不容许多个玻色子占据同一个量子态。
但是在极低温度下，通过激光冷却技术，科学家们能够将玻色子冷却到接近绝对零度，使得它们几乎全部占据同一个量子态，从而形成玻色-爱因斯坦凝聚体。
这种凝聚体具有一系列奇特的量子行为，如超流性和相干性，对于研究量子现象和开发量子技术具有重要的意义。
激光冷却技术还被应用于光钟的研究。
光钟是一种精密的时间测量装置，其原理是利用原子的共振频率来计时。
通过激光冷却技术，科学家们能够将原子冷却到极低温度，使其速度减慢，从而减小了多普勒效应的影响。
这使得光钟的测量结果更加准确，能够实现极高的时间分辨率。
光钟的研究对于精确测量时间、推动时间标准的发展以及对引力场的研究具有重要的意义。
此外，激光冷却技术还在原子陷阱和量子计算等领域有广泛的应用。
原子陷阱是利用电磁场将原子束限制在一个小空间范围内的装置。
通过激光冷却技术，科学家们能够将原子冷却到足够低的温度，使其足够慢以被原子陷阱捕获。
这种技术对于原子物理实验的进行至关重要，为研究原子的性质和相互作用提供了有力的工具。
原子的激光冷却及陷俘研究
原子的激光冷却及陷俘研究随着物理学的发展，对于原子的研究也越来越深入。
其中一个重要的研究方向是如何对原子进行激光冷却和陷俘，因为这可以使原子的能量和速度减小到极低的水平，从而可以更好的研究和控制它们的行为。
下面将介绍原子的激光冷却和陷俘研究的基本原理和实现方法。
激光冷却是利用激光束对原子进行照射，从而使其受到反向的光压力，减小原子速度的过程。
具体而言，激光束通过调节频率和强度，与原子发生散射，使其获得反向的动量。
对于一个单一的原子，这种激光散射的效果并不明显，但是对于大量的原子，就可以获得很好的冷却效果。
根据激光的频率和强度的不同，可以将激光冷却分为三种：Doppler冷却、莫脱冷却和Sisyphus冷却。
Doppler冷却通常适用于高温铷和锂原子，通过激光的蓝移和红移来达到冷却效果。
莫脱冷却适用于低温镭和氘原子，通过激光的共振吸收达到冷却效果。
Sisyphus冷却适用于钠和铯原子，通过激光的热力学效应使原子在光势阱中震荡，从而达到减速效果。
陷俘是将原子捕获在封闭的空间中进行研究的过程。
传统的陷俘方法是通过磁场来实现，但这种方法不能直接捕获原子。
现在最常用的方法是利用光学陷阱来实现。
光学陷阱有两种：光子陷阱和蒸汽陷阱。
光子陷阱通常由激光束构成，将多个激光束聚焦在一个小空间内，形成一个光势阱，将原子捕获在这个空间中。
蒸汽陷阱则是利用激光在玻璃表面上形成的光场来实现，将原子捕获在玻璃表面附近的空间中。
除了以上两种常见的光学陷阱，还有一种新型的“飞行塔门”陷阱，它是通过一系列激光束组成的门，将气体分子引导到目标区域，然后再利用激光束将其捕获进行研究。
总之，原子的激光冷却和陷俘是物理学研究中的重要部分，可以帮助我们更好的了解和控制原子的行为。
通过使用不同的激光冷却方法和光学陷阱技术，可以实现对原子的高级控制和实验的可控性，从而推动物理学的发展。
原子的激光冷却及陷俘研究
原子的激光冷却及陷俘研究激光冷却和陷俘技术是一种先进的实验手段，用于将原子冷却到极低温度并将其捕获。
这种技术在量子计算、量子模拟和精密测量等领域有重要应用。
激光冷却是通过向原子发射脉冲激光，使其获得动量，并通过光纳冷效应降低原子的热运动，从而将其冷却到极低温度。
激光冷却通过调整激光的频率和能量，可以选择性地冷却特定种类的原子。
常用的激光冷却方法包括多普勒冷却、蒸汽冷却和光泡冷却等。
多普勒冷却是最常见的激光冷却技术之一，它利用多普勒效应实现对原子的冷却。
在多普勒冷却中，激光的频率略高于原子的共振频率，当原子向激光器传播时，激光的频率会降低，从而减慢原子的运动速度。
通过多次多普勒冷却，原子的运动速度可以被有效地降低，进而实现冷却。
除了激光冷却外，陷俘技术也是一种重要的冷却手段。
陷俘是指通过控制磁场或电场，将原子限制在一个非常小的空间范围内，从而有效降低原子的热能。
陷俘的常见方法包括磁光陷和离子陷等。
磁光陷是利用磁场和激光场相互作用，将原子限制在一个磁场和激光场的共同作用区域内。
在磁光陷中，激光场会对原子施加阻尼力，使其停留在激光光斑中心；磁场会对原子施加保持力，将其限制在一个局部磁场区域内。
通过不断调整磁场和激光场的强度和位置，可以实现对原子的高效冷却和陷俘。
离子陷是一种将原子离子化并用电场限制的陷俘技术。
在离子陷中，原子首先通过激光场被激发为离子，然后通过高强度的电场将离子限制在一个小范围内。
离子陷在量子计算中有广泛的应用，可以用来实现多个离子之间的相互作用，从而构建量子比特。
激光冷却和陷俘技术为研究冷原子物理学和量子信息科学提供了重要的实验手段。
它们通过将原子冷却到极低温度，并将其捕获在一个小空间范围内，使研究人员能够更好地观察和操控原子的量子行为。
这对于发展量子计算、量子模拟和精密测量等领域具有重要意义，也为探索量子世界的奥秘提供了新的途径。
空间冷原子钟 激光冷却
空间冷原子钟激光冷却
空间冷原子钟是一种利用激光冷却技术来冷却原子并实现高精度时间测量的装置。
激光冷却是一种通过激光与原子相互作用，利用光压效应将原子从高能量状态冷却至低能量状态的技术。
在激光冷却过程中，激光束与原子发生相互作用，将原子的动能减小，使其运动速度降低，从而冷却原子。
空间冷原子钟利用激光冷却技术将原子冷却至极低温度，通常在微开尔文级别。
冷却后的原子在真空条件下将保持低温状态，并在该状态下实现高精度的时间测量。
空间冷原子钟的原理是利用冷却后的原子的共振频率与时间的关系来测量时间。
相比传统的原子钟，空间冷原子钟具有更高的精度和稳定性。
它可以在微小的时间尺度上进行测量，可用于高精度的时间标准、导航系统和测量科学等领域。
空间冷原子钟的发展对于实现空间探测任务中高精度时间测量的需求至关重要。
它具有在微重力和极端环境条件下稳定工作的特点，可以应用于太空探测器和航天任务中，提供高精度的时间标准和导航精度。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2001 Nobel Prize in PhysicsIntroduction to Bose-Einstein Condensation Predication in 1924, Bose and Einstein Experimental achievement in 1995, JILA第十章激光冷却原子激光冷却与囚禁原子来源于光场对原子的作用力，即机械作用。
人们对这种力的认识可以追溯到开普勒和牛顿。
那时，他们认为彗星尾巴背向太阳就是日光的光压对彗星物质作用的结果。
麦克斯韦认识到这种力的来源，即光束带有动量，但它们实在太小，以致难以察觉。
直至20世纪初，1900年俄国人Lebedew从光在金属片上的反射测到了光压，几乎同时美国人Nichols和Hull也观测到了这种现象。
到激光诞生以前，只有Einstein从理论上认识到作用于原子上的光压存在涨落；而Frisch则成功地在实验上观测到了钠的共振光对钠原子束运行轨迹的偏转。
由于效应太小，在科学应用上没有实际价值。
直到激光问世以后，才有可能利用激光束产生的显著的机械力来操纵原子的运动状态，使这一领域得到了深入细致的研究，取得了丰硕的成果。
Letokhov和Ashkin等人首先指出了激光对中性原子可以产生可观的机械作用力，这种力可分为性质不同的两种：分别称为偶极力（梯度力）和散射力（共振辐射力）。
在此基础上，1975年Hansch与Schawlow和Wineland与Dehmelt分别对中性原子和囚禁在电磁阱中的离子提出了激光冷却的方案。
先是在离子阱中实现了Mg+和Ba+的激光冷却，然后用偶极力实现了原子束的聚焦，接着用共振辐射力实现了原子束的减速。
据有突破性成就是1985年朱隶文在钠蒸汽室中用六束激光在其汇合处实现了“光学黏团”，其温度低到约240uK，这与多普勒冷却的理论极限相符合。
可是，没有多久，这个多普勒极限就被美国国家标准技术研究院(NIST)以W.D.Philips为首的研究组的实验所打破。
他们以基本相同的实验手段得到远低于这个极限的温度，最低值只有20uK左右。
类似的结果在铯原子实验中也得到证实。
这个结果使Cohen-Tannoudji和朱隶文分别独立提出了考虑多能级非缓变跃迁的亚多普勒冷却理论。
以后，各种利用亚多普勒冷却获得超冷原子的方案与理论层出不穷，激光冷却原子的技术呈现出丰富多彩的局面，甚至使冷却温度打破了光子反冲极限，达到pK量级。
与此同时，各种囚禁原子的激光阱的实验与理论研究也很活跃，其中最有意义的是磁光阱(MOT)的诞生，而Wieman小组更使这种阱能在普通蒸汽室中形成。
这使激光冷却与囚禁原子的实验装置大为简化，免除了庞大的设备，以致一般实验室也可以进行这些工作。
上述成果导致20世纪90年代初铯原子喷泉频标的出现，出现了大量利用冷原子进行原子分子物理研究的实验与理论工作，激光冷却与囚禁原子的技术走向了实用化和普遍化。
ωh ω若原子运动方向与光子方向相反，则原子减速，相应的速度变化为，m为原子质量。
虽然单个光子所引起的原子的速度变化很小，对共振波长为589.0nm,780.2nm和852.1nm的23Na,87Rb,133Cs三种常用的碱金属原子样品，其值分别为2.94cm/s,0.59cm/s,0.35cm/s.但由于它们的上能级寿命很短，其值分别为16.1ns,26.5ns,31ns（其倒数即为饱和光强作用下的跃迁几率），因而原子所受的辐射力还是十分显著的，要远大于地球引力场的重力。
在完全饱和情况下，这个力的最大值为：2/1Γ=k F h 这个力与激光频率的关系呈洛伦磁线性，有共振性质，共振频率处有最大值。
（见图2），弱光下随着辐射场强度的增大而增大，强光下(Ω>>Γ)趋于饱和。
这个力由原子因吸收光子而改变动量而产生，所以常称为辐射压力；又因它是由原子吸收共振光子再自发辐射而形成。
实际上是光子散射过程引起的，又称散射力或自发辐射力。
这过程引起光场和原子系统的耗散，所以又叫耗散力。
要把这个钠原子停下来，原子必须反复吸收发射3000多个光子！1.原子束的激光减速原子束的激光减速只利用辐射压力对原子的作用。
从原理上说，这种减速十分简单。
只要把频率低于共振频率ω0的激光束对着原子束方向照射原子，就可以靠散射力实现减速。
因为散射力有共振特性，为满足共振条件必须克服多普勒频移，使激光频率ω<ωω=ω0(1-v/c)= ω-kv但是，要有效实现减速还要解决两个问题：一是要连续补偿多普勒频移。
束中原子在不断减速过程中速度时时变化，多普勒频移要跟着变。
若激光频率固定，一定时间后就偏离了共振，降低了减速效果.因此激光频率要按式(2.25)随时根着原子2速度v变化。
二要克服光抽运效应。
在上面讨论中，假定原子只有两个能级。
实际上原子有许多能级。
如果原子核带有自旋，基态有超精细结构；在外磁场中，它们还会产生一系列的塞曼能级。
冷却激光频率对准了一对能级，使处在某一选定的基态超精细结构能级上的原子激发，而从激发态自发辐射又回到基态时，可能落到另一个非共振能级。
在该能级上的原子就不可能再与激光作用，这样，原子就会在该能级积聚，停止了减速过程。
这就是光抽运效应。
为了解决第一个问题，主要采用以下两个途径。
1）激光连续扫描（frequency chirping）这是一个最直接的方法，就是使激光频率按式(2.25)跟着原子速度变化，原子变慢，激光频率增高。
根据式(2.23)，在饱和共振光作用下，原子所受的力及其速度变化率（减速速度）是常数，激光频率的扫描频率是固定的。
对钠原子，此速率约为1550Mhz/ms.从技术角度看，要以如此之高的速度来像染料激光器那样得频率是有一定困难的。
2）2)改变原子共振频率ω0，使之随着原子速度v的变化而同步变化，从而可保持激光频率ω不变。
原子共振频率如何变化？Philips和Metcalf等人想出了利用能级塞曼移动的方法。
他们设计了特殊磁场，其强度沿着原子束的行程而变化，由于塞曼频移，原子的共振频率在减速路径上随着速度减慢而变小，从而保持ω不变。
利用这种方法他们把原子束的平均速度降为零。
这种装置称为“塞曼减速器。
”此外，也可以利用强的固定频率的准共振光或白光来进行原子束减慢。
这实际是利用强光的饱和增宽或频率覆盖很宽的光谱，使参与共振的原子速度范围大大拓展。
为此需要很大的激光功率（饱和因子S=I/I S 一般要在10-100之间）和较长的作用时间。
而且由于所有的原子都参与减速，非共振的光散射影响很大，原子速度分布的压缩不很理想。
可以用与原子束同方向的单色激光束来压缩原子的速度分布。
此外，还可利用弥漫激光实现减速。
如下图，原子束沿Z方向飞行，泵浦激光沿Z反方向传播。
当激光与速度为v0的分子共振时，该速度分子吸收n个光子后，速度降了下来。
但问题是：(1) 速度比v0大和比v小的分子都不吸收光子; (2) 即使速度v的原子,吸收几个光子后, 也不再能吸收了。
为要使所有分子速度都降下来或都降到同一速度，使所有原子都吸收，只有改变原子能级，使不同速度的原子都吸收同一个频率的激光。
Zeeman效应改变原子能级的实验示意图用一个递减磁场改变原子能级。
在磁场人口处，磁场强，Zeeman 效应引起的分裂大，出口处最小。
激光和人口处速度为v 0的原子共振。
速度比v 0大的原子本不吸收光子，因为在它们看来，光太蓝。
但当它们飞行到磁场中时，它们的能级差被磁场变大了。
飞到某一地点，能级差正好和激光频率匹配，开始吸收。
随着飞行，速度减慢，能级差也减小，可以继续吸收，直到它们的速度降低到v 0。
这样，所有速度大于v 0的原子，在出口处速度都可以降到v 0。
为解决第二个问题，也可以有两种方法。
一是用偏振光抽运来实现“循环跃迁”，使原子处在准二能级系统而得以减速。
这里以钠原子为例说明这种方法的思路。
钠原子基态有两个超精细能级，F=1和2，其间距为1772MHz.在弱磁场中，这些能级分别分裂为多个子能级，如图3所示。
若选σ+圆偏振光使原子从基态m F 能极跃迁到到m F ’=m F +1能级，但自发辐射则可从m F ’= m F +1能级回到m F 和m F +1,m F +2三个基态能级。
这样，在多次作用后，原子将积聚在m F 最大的基态能级(m F =2)上，此后原子在σ+光作用下只能激发到m F ’=3的激发态能级，而自发辐射仍回到原态。
如此往复，循环不已，构成准二能级系统。
上述方法的缺点：首先是圆偏振往往不纯，原子有可能激发到其他能级，破坏了循环跃迁；其次是激光有线宽，而激发态的能级间距不大，有可能激发到其他激发态超精细能级，仍会引起光抽运效应，使原子泄漏到其他基态能级，终止减速过程。
由于减速过程要发生大量跃迁，稍有泄漏对减速效果是致命的，因此要严格防止这种光抽运效应。
解决办法是另加一束激光，其频率与减速激光差一个基态超精细分裂值，使F=1能级上的原子也能激发，重新回到循环跃迁能级上来，实现“反抽运”。
这样，就能达到连续减速的目的。
现在几乎所有激光减速和冷却原子的实验都用此方法。
钠原子能级和激发图用激光L1激发F ″=2到F ′=3的跃迁，然后自发辐射回到F ″=2,反复激发，吸收多个光子。
但F ′=2和F ′=3能级离得比较近，可能也被L1顺便激发。
一旦激发到F ′=2，就可能自发辐射回到F ″=1，不能被L1激发。
因此，用另一个激光L2把回到F ″=1 的原子重新送回到F ′=2。
Cooling and Repumping Process首先是Balykin等人做的第一个中性原子束减速实验。
这个实验很简单，一束σ+偏振的，波长589nm的激光对射钠原子束，激光频率以约1400MHz/ms的速率扫描。
当激光频率满足式ω=ω0(1-v/c)= ω0-kv 时，原子发出荧光，由光电倍增器(PM)收集。
荧光强度随激光频率的变化反映束中原子的速度分布。
与激光束垂直的参考原子束用以标定零速原子的频率值。
实验中观测到了原子速度分布的峰值向低速方向移动的现象。
但由于偏振光不纯，光抽运效应严重，减速效果不佳。
后来，他们用一个大功率的，频率固定于最可几速率的激光器减速，另一束与原子束成一夹角的激光通过多普勒效应测量原子的速度分布，得到了清晰的减速现象。
如图5所示，峰值下移最大达600M/S.2.原子束的准直，偏转和沟道化原子束激光减速的一个严重问题是减速过程中原子束不断地横向扩散。
尽管纵向速度降低了，横向平均速度则增加了。
这不仅是因为原子束从束源发出时总有原始发散角，随路经的延长束截面必然扩大，而且还因为减速过程有横向加热效应。
在减速过程束中原子吸收定向光子后损失纵向动量，降低了速度，但在每次自发辐射中，还会得到一个反冲动量。