激光技术PPT讲稿

---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------激光技术PPT讲稿激光冷却技术 PPT 讲稿同学们，下午好。

我今天选择的主题是激光冷却技术。

这门技术从它的产生，进一步发展到完善有几十年的时间跨度，是一段很有意思的历程。

我是来自201 班的彭锡亮。

今天的介绍将分四个部分：通过对于温度跨度的探讨来了解激光冷却技术出现的原因，然后介绍激光冷却技术的基本原理和进一步的发展。

最后，简要介绍该技术的应用和前景。

一、引言谈到温度，最直接的感受就是气温。

我们人类是恒温动物，温度范围从 35-42摄氏度。

那么宇宙的温度跨度如何？我们知道物理学的研究对象是宇宙中客观存在的万事万物。

宇宙的温度跨度决定我们实验室中所应实现的温度。

1、常见物体的温度？ 0.00000017K：金属铷发生玻色爱因斯坦凝聚0.000002K：金属钠发生玻色爱因斯坦凝聚‐268.95℃（ 4.2K）：金属汞出现超导现象‐260℃（ 13.15K）：星际尘埃温度：在寒冷的宇宙空间，星际尘埃的温度可低达‐260℃‐130℃1 / 9（ 143.15K）：地球最低气温：地球上最低气温出现在南极最高峰文森峰，这里年平均气温‐129℃，夏日平均气温‐117.7℃。

‐52.3℃（ 220.85K）：中国最冷气温1969 年 2 月 13 日黑龙江省漠河气象站0℃（ 273.15K）：水的凝固点100℃：水的沸点700℃：烟头、蚊香的温度800℃：火山熔岩温度6000℃：太阳表面温度1000000℃：日冕温度10000000℃中子星表面510000000℃：人类创造的最高温度：美国新泽西的普林斯顿等离子物理实验室中的托卡马克核聚变反应堆利用氘和氚的等离子混合体于 1994 年 5 月27 日创造出来的2、为什么要研究激光冷却技术？科学技术研究的需要，举例：实现玻色爱因斯坦凝聚对于温度的要求。

1925 年爱因斯坦等人提出理论，但实验验证却在 1995 年。

还有很多科学研究需要。

冷却原子最初是为了降低它们的热运动速度，以便精确地测---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 量原子光谱，后来则是为了改进原子钟。

3、激光冷却可实现的最低温度？ 0.0000000005K：德国、美国、奥地利等国科学家组成的一个国际科研小组在实现铯原子的玻色－爱因斯坦凝聚态的实验过程中首次达到绝对零度以上 1 纳开以内的极端低温。

该研究结果发表在 2003 年 9 月 12 日版的《科学》杂志上。

二、激光冷却基本原理 1、温度的微观解释物体的原子总是在不停地做无规则运动，这实际上就是表示物体温度高低的热运动，即原子运动越激烈，物体温度越高；反之，温度就越低。

所以，只要降低原子运动速度，就能降低物体温度。

2、原子减速在常温下，气体的原子以 103m/s 的速度运动着。

这个速度比奔驰宝马车的最快速度要高出几倍。

在 3K 的温度下仍以 102m/s 的速度运动是什么决定光子应有多大能量才能对原子起作用呢？是原子的内部结构（能级）。

原子处于一定的能级状态，能级的跃迁就是原子吸收和发射光子的过程。

原子的能级是一定的，它吸收和发射光子的频率也是一定的。

如果正在行进中的原子被迎面而来的激光照射，只要激光的频3 / 9率和原子的固有频率一致，就会引起原子的跃迁，原子会吸收迎面而来的光子而减小动量。

与此同时，原子又会因跃迁而发射同样的光子，不过它发射的光子是朝着四面八方的，因此，实际效果是原子的动量每碰撞一次就减小一点，直至最低值。

动量和速度成正比，动量越小，速度也越小。

因此所谓激光冷却，实际上就是在激光的作用下使原子减速。

4、考虑多普勒效应实际上原子束是以一定的速度前进的。

迎面而来的激光在原子看来，频率好象有所增大。

因此，只有适当调低激光的频率，使之正好适合运动中的原子的固有频率，就会使原子产生跃迁，从而吸收和发射光子，达到使原子减速的目的。

因此这种冷却的方法称为多普勒冷却。

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。

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)。

用激光可以把各种原子冷却，使之降到毫开量级的极低温度，这就是 20 世纪 70 到 80 年代之间物理学家做的事情。

三、激光冷却技术的进一步发展 1985 年朱棣文和他的同事在美国新泽西州荷尔德尔（ Holmdel）的贝尔实验室进一步用两两相---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 对，沿三个正交方向的六束激光使原子减速。

他们让真空中的一束钠原子先是被迎面而来的激光束阻止了下来，然后把钠原子引进六束激光的交汇处。

这六束激光都比静止钠原子吸收的特征颜色稍微有些红移。

其效果就是不管钠原子企图向何方运动，都会遇上具有恰当能量的光子，并被推回到六束激光交汇的区域。

在这个小区域里，聚集了大量的冷却下来的原子，组成了肉眼看去像是豌豆大小的发光的气团。

由六束激光组成的阻尼机制就像某种粘稠的液体，原子陷入其中会不断降低速度。

大家给这种机制起了一个绰号，叫光学粘胶。

上述实验中原子只是被冷却，并没有被陷俘。

重力会使它们在 1 秒钟内从光学粘胶中落下来。

为了真正陷俘原子，就需要有一个陷阱。

1987 年做成了一种很有效的陷阱，叫做磁光陷阱。

它用六束激光，如上述排列，再加上两个磁性线圈，以便给出略微可变化的磁场，其最小值处于激光束相交的区域。

由于磁场会对原子的特征能级起作用（这种作用叫做塞曼效应），就会产生一个比重力大的力，从而把原子拉回到陷阱中心。

这时原子虽然没有真正被捉住，但却是被激光和磁场约束在一个很小的范围里，从而可以在实验中加以研究或利用。

5 / 9激光冷却技术不断地被改进，一直到八十年代末，研究者们认为他们已经达到了可能达到的最低温度这是根据多普勒冷却理论计算得到的对于钠原子而言这一温度极限是 240K。

单个光子的反冲能量之所以会有一个极限值，是因为不论对多普勒冷却还是偏振梯度冷却，两者都会发生连续的吸收和发射的循环过程。

每个过程都会给原子以微小但却不能忽略不计的反冲能量。

但是在 1988 年，一个由 Phillips 领导的小组偶然间发现在这之前三年发展出来的一项技术可以突破多普勒极限。

他们用三束相互垂直的激光束对来冷却钠原子，而且激光频率和其他实验室中使用的激光频率略有不同。

他们发现，使用几项新的温度测量技术得到的结果显示钠原子的温度只有 43 微开。

理论和实验结果出现了矛盾，这预示着新理论的诞生。

朱棣文小组和科昂－塔努吉在巴黎高等师范学院的小组几乎同时马上从理论上对这一出乎意料的冷却机制给予了解释，他们抛弃了原有理论的两个假设：二能级系统和纯偏振态光谱。

实际上真正的钠原子都具有好几个塞曼子能级，不但在基态，而且在激发态也是如此。

基态子能级可以用光泵方法激发，也就是说，激光能够把钠原子转变为按子能级布居的不同分布，并引起新的冷却机制偏振梯---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 度冷却。

相比之下之前的冷却模型就非常简单化了。

不论对多普勒冷却还是偏振梯度冷却，两者都会发生连续的吸收和发射的循环过程。

每个过程都会给原子以微小但却不能忽略不计的反冲能量。

如果原子几乎是静止的，免去了吸收－发射循环，原则上就可以在稀薄原子蒸气中达到比反冲冷却极限还要低的温度。

他们解决这个问题的方式是创造除了黑态。

这是自然界中存在的一种状态，他们有一定的几率进入这种状态，然后就永远被留下来了。

利用这种思想发明了两种冷却机制。

科昂－塔努吉提出了速度选择相干布居囚禁，朱棣文提出了拉曼跃迁冷却。

它们都属于亚反冲冷却。

朱棣文、科昂－塔努吉和菲利浦斯三人因因发展了用激光冷却和捕获原子的方法而获得了 1997 年诺贝尔物理学奖。

2019 年诺贝尔物理学奖：法国物理学家塞尔日阿罗什和美国物理学家戴维瓦恩兰因提出了突破性的实验方法，使测量和操控单个量子体系成为可能。

这是两种开创性的技术，后来都发展成为量子研究领域新的研究手段和实验技术。

7 / 9阿罗什的工作是打造出一个微波腔，借助单个原子在微波腔中会辐射或吸收单个光子的特性，实现了操纵单个光子。

而维因兰德则制造出了一个离子阱，先用光来俘获离子，然后用激光冷却离子，进而对离子进行测量和控制。

在科学上，他们的研究标志着人类对物质的操控能力大大提高了。

具备这一能力后，量子计算和精密测量便有了变为现实的可能性。

这些实验方法在单原子、单离子和单光子的水平上深刻地揭示了微观量子世界的许多奇异性质，开辟了操控和测量单量子系统的方法，在精密测量、量子信息和量子控制中具有重要应用。

四、激光冷却应用及展望激光冷却为帮助人类了解放射线与物质之间的相互作用，特别是深入理解气体在低温下的量子物理特性开辟了道路。

激光冷却有许多应用，如：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。

还有最近的超冷分子，它为量子计算机的制造提供了可能性依据。

该技术可以用来做精确测量，特别是做重力测量；人们还可以利用此技术做成重力分析图，由此解开地球上的许多谜团：---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 例如观察油田的内层、勘探海底或地层内的矿物质，在生物科技上可以解读去氧核糖核酸(DNA)的密码；科学家们普遍认为，这的确是一个了不起的研究成果。

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