激光与原子物理的相互作用
原子光学：操纵物质的新方法
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原子光学技术的优化与改进
• 提高激光冷却效果、实现高精度操控等
• 为提高原子光学技术的性能提供新方法
03
原子光学的应用领域及实际案
例
原子光学在量子信息领域的应用
01
原子光学在量子通信领域的应用
• 量子密钥分发、量子隐形传态等
• 为实现安全通信提供关键技术
02
原子光学在量子计算领域的应用
• 量子比特、量子逻辑门等
• 为实现量子计算提供关键技术
03
原子光学在量子模拟领域的应用
• 量子凝聚态、量子材料等
• 为研究物质性质和相互作用提供新方法
原子光学在精密测量领域的应用
原子光学在原子钟领域的应用
• 氢原子钟、铯原子钟等
• 为提高时间测量精度提供关键技术
原子光学在原子干涉仪领域的应用
• 激光干涉引力波观测等
• 为提高空间测量精度提供关键技术
原子光学在原子陀螺仪领域的应用
• 激光陀螺仪、原子干涉陀螺仪等
• 为提高惯性测量精度提供关键技术
原子光学在基础物理研究领域的应用
原子光学在化学领域的应用
• 分子结构、化学反应等
• 为研究化学反应和物质性质提供新手段
原子光学在原子物理领域的应用
• 原子结构、原子光谱等
• 为研究原子性质和相互作用提供新方法
• 提高测量精度、实现多参数测量等
• 为实现精密测量技术的发展提供关键技术
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原子光学在基础物理研究领域的发展趋势
• 研究更多物质性质和相互作用、实现更高精度观测等
• 为推动基础物理研究的发展提供新方法
原子光学面临的技术挑战与研究方向
原子光学面临的技术挑战
激光跃迁原理
激光跃迁原理
激光跃迁原理是指通过激光的作用，使原子或分子从一个能级跃迁到另一个能级的过程。
这种跃迁是通过吸收或发射激光光子来实现的。
激光跃迁原理在现代科技中有着广泛的应用，例如激光切割、激光打印、激光医疗等领域。
激光跃迁原理的基础是原子或分子的能级结构。
原子或分子的能级结构是指它们在不同能量水平上的电子分布情况。
当原子或分子吸收激光光子时，电子会从低能级跃迁到高能级，这个过程被称为激发。
当电子从高能级跃迁到低能级时，会发射出激光光子，这个过程被称为辐射。
这种跃迁的能量差等于激光光子的能量，因此激光的波长和能量决定了跃迁的能级。
激光跃迁原理的应用非常广泛。
在激光切割中，激光束的能量被聚焦在一个小区域内，使材料局部受热并蒸发，从而实现切割。
在激光打印中，激光束被用来烧蚀打印材料，形成图案或文字。
在激光医疗中，激光被用来治疗眼部疾病、皮肤病等疾病。
除了应用于实际生产和生活中，激光跃迁原理还被广泛应用于科学研究中。
例如，科学家们利用激光跃迁原理研究原子和分子的能级结构，探索它们的物理和化学性质。
此外，激光跃迁原理还被用于制备新材料、研究光学现象等领域。
激光跃迁原理是一种重要的物理现象，它在现代科技和科学研究中
有着广泛的应用。
随着科技的不断发展，激光跃迁原理的应用也将不断拓展，为人类带来更多的便利和发展。
激光器的工作原理及应用
激光器的工作原理及应用激光器是一种能够产生高强度、高单色性和高相干性的光束的装置。
它的工作原理基于光的受激辐射过程，通过在激发态粒子中引入外界能量，使这些粒子跃迁到较低能级，从而产生光子的放射。
激光器的应用非常广泛，包括科学研究、医学、通信、制造业等领域。
一、激光器的工作原理激光器的工作原理可以简单地描述为三个步骤：激发、放大和反馈。
1. 激发：激光器的激发过程通常通过电子束、光束或化学反应来实现。
当激发能量施加到激光介质中时，激光介质中的原子或分子将吸收能量并跃迁到一个高能级。
2. 放大：在激发态的原子或分子中，通过受激辐射的过程，一个光子会与一个激发态的原子或分子相互作用，从而导致原子或分子跃迁到较低能级，并释放出两个光子。
这个过程在激光介质中不断发生，光子的数量逐渐增加，形成一个光子数目巨大的光束。
3. 反馈：在激光器中，一个或多个反射镜被用于增强光的放大效果。
这些反射镜使得光在激光介质中来回反射，从而形成一个光学腔。
当光子在激光介质中来回反射时，它们会与其他激发态的原子或分子相互作用，进一步增强激光的放大效果。
最终，一个非常强大、高度相干的光束从激光器中产生。
二、激光器的应用1. 科学研究：激光器在科学研究中有着广泛的应用。
例如，激光器被用于实验室中的光谱学研究，用于测量物质的光谱特性。
此外，激光器还被用于原子物理学、量子力学和光学等领域的研究。
2. 医学：激光器在医学领域有着重要的应用。
例如，激光器被用于眼科手术中的激光角膜矫正术，可以纠正人眼的视力问题。
此外，激光器还被用于皮肤科手术、癌症治疗和牙科手术等。
3. 通信：激光器在光通信领域有着重要的应用。
激光器可以产生高强度的光束，可以通过光纤传输信息。
激光器被用于光纤通信系统中的光源，可以实现高速、高带宽的数据传输。
4. 制造业：激光器在制造业中有着广泛的应用。
例如，激光切割机可以通过激光束将金属或非金属材料切割成所需形状。
激光焊接机可以用于焊接金属零件。
高中物理 原子物理知识总结 新人教版选修3
高中物理 原子物理知识总结 新人教版选修3一、原子模型1.汤姆生模型（枣糕模型）汤姆生发现了电子，使人们认识到原子有复杂结构。
2.卢瑟福的核式结构模型（行星式模型）α粒子散射实验是用α粒子轰击金箔，结果是绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进，但是有少数α粒子发生了较大的偏转。
这说明原子的正电荷和质量一定集中在一个很小的核上。
卢瑟福由α粒子散射实验提出：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间运动。
由α粒子散射实验的实验数据还可以估算出原子核大小的数量级是10-15m 。
3.玻尔模型（引入量子理论，量子化就是不连续性，整数n 叫量子数。
） ⑴玻尔的三条假设（量子化）①轨道量子化r n =n 2r 1 r 1=0.53×10-10m ②能量量子化：21nE E n E 1=-13.6eV③原子在两个能级间跃迁时辐射或吸收光子的能量h ν=E m -E n⑵从高能级向低能级跃迁时放出光子；从低能级向高能级跃迁时可能是吸收光子，也可能是由于碰撞（用加热的方法，使分子热运动加剧，分子间的相互碰撞可以传递能量）。
原子从低能级向高能级跃迁时只能吸收一定频率的光子；而从某一能级到被电离可以吸收能量大于或等于电离能的任何频率的光子。
（如在基态，可以吸收E ≥13.6eV 的任何光子，所吸收的能量除用于电离外，都转化为电离出去的电子的动能）。
⑶玻尔理论的局限性。
由于引进了量子理论（轨道量子化和能量量子化），玻尔理论成功地解释了氢光谱的规律。
但由于它保留了过多的经典物理理论（牛顿第二定律、向心力、库仑力等），所以在解释其他原子的光谱上都遇到很大的困难。
4.光谱和光谱分析⑴炽热的固体、液体和高压气体发出的光形成连续光谱。
⑵稀薄气体发光形成线状谱（又叫明线光谱、原子光谱）。
根据玻尔理论，不同原子的结构不同，能级不同，可能辐射的光子就有不同n E /eV∞ 0 -13.6-3.44 -0.85的波长。
翟荟 冷原子物理讲义
翟荟冷原子物理讲义冷原子物理是一门研究冷原子和困难模型系统的物理学科，它涉及到原子的冷却、捕获和调控，研究物质的量子行为和相干性。
翟荟冷原子物理讲义是一本权威的教材，涵盖了冷原子物理的基本概念、理论和实验技术等内容。
冷原子物理的核心研究对象是冷原子，它们经过冷却技术使得原子的动能降低到非常低的温度，可以达到几纳开尔文甚至更低。
冷原子的研究使得我们可以探索量子行为和量子相干性，开辟了一扇窗户，让我们更深入地了解和利用量子力学。
冷原子物理中最重要的冷却技术之一是蒸汽冷却。
通过激光冷却和蒸汽冷却的组合，可以实现冷原子的捕获和冷却。
激光冷却利用激光与原子的相互作用，通过光压效应将原子的动能转移到光场中，从而使得原子的速度降低。
蒸汽冷却利用原子与冷却剂分子的碰撞，将原子的动能传递给冷却剂分子，从而实现冷却。
这些冷却技术使得冷原子的温度降低到几微开尔文以下，为进一步的研究提供了条件。
冷原子物理中的另一个重要概念是玻色-爱因斯坦凝聚。
玻色-爱因斯坦凝聚是一种量子态，它是由玻色子组成的大量粒子在低温下出现的一种现象。
玻色-爱因斯坦凝聚是量子统计效应的体现，它具有相干性和凝聚性，可以用来研究凝聚态物质的性质和量子信息处理等方面的问题。
冷原子物理中的实验技术也是非常重要的。
在实验中，我们需要设计和构建冷却系统、激光系统和探测系统等。
冷却系统用于降低原子的温度，激光系统用于操控和测量原子，探测系统用于检测和记录实验结果。
这些实验技术的发展和应用使得冷原子物理成为一个充满活力和潜力的领域。
翟荟冷原子物理讲义系统地介绍了冷原子物理的基本概念、理论和实验技术。
讲义中详细阐述了冷却技术的原理和方法，玻色-爱因斯坦凝聚的产生和性质，以及实验技术的设计和应用。
讲义中还包含了大量的例题和习题，帮助读者更好地理解和掌握冷原子物理的知识。
翟荟冷原子物理讲义是一本权威的教材，适用于物理学专业的本科生和研究生，以及从事冷原子物理研究的科研人员。
中国激光冷却原子史的新解读_基于档案、手稿等新史料
㊀㊀‘科学文化评论“第20卷第5期(2023):106-120学术沙龙中国激光冷却原子史的新解读基于档案、手稿等新史料钱逸涛㊀杨㊀凯摘㊀要㊀激光冷却原子是20世纪70年代国际原子物理界出现的一个新兴研究领域㊂中国科学家王育竹率先认识到冷原子物理具有革命性的研究前景,提出利用光频移效应实现激光冷却气体原子等新机制,并在20世纪80年代开展了一系列具有开拓性的实验工作㊂根据中国科学院上海光学精密机械研究所的档案㊁王育竹科研手稿等原始资料等,试重新解读中国激光冷却原子史,王育竹研究团队较早观察到了低于多普勒极限的新物理现象,但在后续实验验证工作的系统性㊁新理论框架的搭建上尚与斯坦福大学等研究团队存在差距㊂诺贝尔奖是各类条件下的综合性产物,以诺奖作为唯一评判标准忽视了在中国情境下科学研究的特殊性,新的科学评价标准需建立在长时段㊁综合性体系之上㊂关键词㊀激光冷却原子㊀王育竹㊀中国科学院上海光学精密机械研究所中图分类号㊀N092ʒO4文献标识码㊀A收稿日期:2023-09-25作者简介:钱逸涛,1999年生,安徽枞阳人,江苏科技大学科学技术史硕士研究生,研究方向为近现代中国科技史;杨凯,1985年生,浙江湖州人,江苏科技大学科学技术史研究所副教授,研究方向为近现代科技史㊂基金项目: 王育竹院士学术成长资料采集工程项目 (项目编号:CJGC2022-K-Z-SH02)㊂一 引言1997年10月15日,瑞典皇家科学院宣布该年度的诺贝尔物理学奖授予美601国物理学家朱棣文(Steven Chu)㊁威廉㊃菲利普斯(William D.Phillips)以及法国的科恩-塔诺季(Claude Cohen-Tannoudji)教授,以表彰他们在发展用激光冷却和捕获原子方法方面所做出的杰出贡献㊂消息传至国内,国家自然科学基金委及很多国内科学家发现激光冷却原子研究领域早有中国学者王育竹踏足㊂有学者认为: 王育竹提出的激光冷却气体的物理思想与现在使用的机制是一致的㊂ [1]而王育竹的研究成果也早早发表在1980年‘科学通报“第9期及1981年的‘激光“第8期上,因此不少科学家甚至媒体发声认为 中国科学家错失诺贝尔物理学奖 中国学者距离诺贝尔奖仅咫尺之遥 [2]㊂王育竹是否真的曾接近诺贝尔物理学奖?笔者在搜集史料的过程中发现了两份来自诺贝尔奖委员会的来信(图1),信件内容显示王育竹被邀请为1997年度㊁1998年度诺贝尔物理学奖提交提案,并为自己选定的获奖发明或发现给出推荐理由,这表明诺奖委员会早已注意到了王育竹的研究成果,并对其研究工作给予了充分认可㊂关于这段早期中国激光冷却原子史研究尚留有诸多疑点,尤其是其中有几个核心问题:中国科学家王育竹关于激光冷却原子的研究在时间上是否具有优图1.诺贝尔奖物理学奖委员会的来信①701钱逸涛㊀杨㊀凯㊀中国激光冷却原子史的新解读㊀①诺贝尔奖委员会来信,1997㊁1998年,具体月份不详,该信件原件由王育竹院士办公室提供㊂801㊀‘科学文化评论“第20卷第5期(2023)先性?其研究在同期同类成果中处于什么位置?王育竹研究成果是否真正达到了国际领先水准?没有获得诺贝尔物理学奖是否意味着中国科学家此前的努力付诸流水?这些问题尚未能从前人研究成果中得到清晰完整的正面解答㊂关于中国激光冷却原子史,主要来自当事人的回忆性文章:王育竹记述了开展激光冷却原子初步阶段时期的动力㊁物理思想以及开展的实验结果[3],王义遒记述了其在北京大学开展利用与原子束逆向行进的激光束减速原子束研究的经历[4]㊂此外,陈崇斌等曾基于部分访谈资料和文献简述了中国激光冷却原子研究的发展史,并将其中的经验教训归结为缺乏关键的实验设备㊁科研资金不到位等因素[5]㊂本文拟根据对当事人的访谈资料㊁王育竹论文手稿㊁中国科学院上海光学精密机械研究所(以下简称上海光机所)所藏档案等新史料重新解读这段历史,并以此求教于学界同仁㊂二 国际国内同期同类成果的对比早在20世纪60年代就有苏联科学家提出可以利用激光驻波限制原子的活动范围,从而达到 捕获原子 的效果[6]㊂但完整提出利用激光辐射压力来冷却气体原子的机制则是来自斯坦福大学的肖洛(A.L.Schawlow)教授和德国物理学家汉斯(T.W.Hansch),在他们1975年发表的文章当中明确将激光冷却原子的过程称为 多普勒机制 ,并通过理论推导㊁数值估算将该机制对应的极限温度称为多普勒极限(大约为240μk)[7]㊂1984 1987年间斯坦福大学的朱棣文及其同事通过多次实验验证了多普勒冷却机制,并在此过程中进一步发展了构成了新的磁光陷阱(Magneto-tptical trap,以下简称 MOT )技术,MOT技术进一步提高了冷却原子的密度,延长了观察时间,为后续激光冷却原子的实验工作提供了重要的技术手段[8,9]㊂汉斯㊁肖洛提出的多普勒冷却机制从提出到成功验证跨越了近10年时间,在此期间激光冷却原子研究虽然在国际上产生了一些反响,但影响范围有限,在中国开展激光冷却气体原子研究的单位更不多见,主要有上海光机所的王育竹的团队和北京大学的王义遒研究团队等,其中王育竹最早认识到了激光冷却原子这种新技术具有广泛的应用前景,据王育竹回忆:1978年我们在工厂完成了航天科学技术所需的科研任务后,重新回到了研究所,开始了科研工作㊂我们已经离开研究工作七年了,搞什么研究课题呢?国际上发展现状如何?在图书馆我查到了1975年汉斯和肖洛发表在光通讯上的文章,他们提出激光冷却气体原子的建议 这篇文章对我产生了巨大的吸引力 我决心投入到 激光冷却气体原子 研究中去,因而决定了我后半生的科研道路㊂[10]传统原子钟的性能受限于原子的热运动速度,若能有效减缓热原子的运动速度就能大幅提高原子钟的稳定度和精确度,这对原子钟技术的改进将是革命性的㊂基于此,王育竹在1977年就提出了利用积分球红移漫反射激光冷却气体原子,在一份王育竹亲写的手稿当中记录了他当时提出该机制的理论思想和初步推算(图2),其基本物理思路是当原子进入球型腔后,球内的红移漫发射激光与原子发生共振,原子受到共振光压的作用会不断减慢速度,从而达到冷却效果㊂但是这种新机制的实验条件十分严苛,比如要求实验中的光学系统是一个对原子束轴向对称的系统,球形腔内各方向传播的光强度均等㊂因此相关实验直到1992年才完成,并证明了该机制属于多普勒机制的范畴㊂图2.王育竹关于激光冷却原子束方案讨论手稿[11]多普勒冷却机制在1975年被提出后虽然在国际上经各研究小组反复验证,但随着大量新实验研究结果出现,科学家发现所谓多普勒极限是可以被突破的㊂比如王育竹在1979年提出的利用交流斯塔克效应(光频移效应)激光冷却原子,正是一个不同于多普勒冷却的新机制[12]㊂除此之外,王义遒研究团队也于20世纪80年代率先提出利用激光减速原子束频标的新方法[13]㊂这说明中国科学家是901钱逸涛㊀杨㊀凯㊀中国激光冷却原子史的新解读㊀在激光冷却原子研究领域尚不热门时就介入了该领域的研究中来,但对于前述核心问题如:国内研究成果同国外同类型研究成果相比到了哪一阶段?其物理思想落实到何种程度?发表时间上又是什么顺序?则需要进一步的梳理分析㊂笔者汇总了1975 1989年间国内外具有代表性的激光冷却原子领域学术成果(表1)㊂表1.1975—1989年间部分国内外激光冷却原子领域代表性学术成果表序号主要作者主要完成单位文章性质发表刊物发表时间1 A.Ashkin美国贝尔实验室实验结果Phys.Rev.Lett1970 2Haensch T等斯坦福大学理论构建mum19753 D.Wineland等美国国家标准与技术研究所理论构建Phys.Soc1978 4王育竹上海光机所提出假说科学通报1980 5王育竹上海光机所提出假说中国激光1981 6Steven Chu等斯坦福大学实验验证Phys.Rev.Lett19847W.D.Phillips等美国国家标准与技术研究所实验验证Progress in QuantumElectronics19848王义遒北京大学提出假说波谱学杂志1988 5Steven Chu等斯坦福大学实验验证mum1989 9Dalibard等巴黎高等师范学院理论构建J.opt.soc.am.b1989 1975 1985年间国外研究单位,特别是斯坦福大学物理系完成了科学研究中所必需的提出假设㊁形成理论㊁实验重复验证的闭环,其研究时间持续长,合作单位众多,包括位于美国新泽西州的贝尔实验室㊁巴黎高等师范学院等顶尖科研单位,激光冷却原子领域中重要技术名词如多普勒机制(The Doppler mechanism)㊁光学黏团(molasses)㊁MOT(Magneto-tptical trap)技术等名词都均是由斯坦福大学研究团队首次提出,并得到了学术共同体的广泛认可㊂再如美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,简称NIST)激光冷却和捕获研究小组1991年以前就在Physical Review Letters㊁Nature㊁Sci-ence等顶尖刊物的发文数量累计已超过25篇㊂中国科学家王育竹㊁王义遒等人关注激光冷却原子这一新兴领域的时间并不比国外晚,甚至提出一些基本物理思想的时间比国外还早近10年,但支撑他们投入激光冷却原子研究的单位只局限于上海光机所㊁北京大学等少数几个单位,国内激光冷却研究单位从论文数011㊀‘科学文化评论“第20卷第5期(2023)量㊁论文发表的刊物级别㊁研究工作量来说和斯坦福大学等顶尖研究团队存在不小的差距㊂为进一步对比王育竹的激光冷却原子研究工作与国外同类成果,须将研究时段拉长,并且对研究内容及新物理现象的实验验证工作进行详细分析㊂三 提出突破多普勒极限的新机制1.理论设想一般认为王育竹提出的低于多普勒极限的新机制没有得到广泛关注有几个原因:(1)发表阵地,20世纪80年代的中国虽然已改革开放,但由于此前长期处于闭塞状态,导致中国科学家与国外学术界交流并不多,即使有一流的成果也难以被国际一流学者认可①,王育竹等人的早期成果又发表在中文期刊上,因此很难在国际学术界产生影响;(2)20世纪80年代国内对外学术交流渠道不通畅,获得顶尖专家的指导机会少[5]㊂不可否认这都是十分重要的客观因素,但将中国早期激光冷却研究工作没有获得足够影响力的原因完全归咎于以上两点,未免有以偏概全之嫌㊂因此笔者根据新发掘史料,对王育竹的早期激光冷却原子研究工作进行重新解读㊂1979年,正逢诺贝尔物理学奖得主肖洛(A.schawlow)访问上海光机所,访问期间王育竹向肖洛介绍了他关于激光冷却的物理思想,并将相关论文寄给肖洛审阅㊂肖洛归国后阅读了王育竹关于 利用交流斯坦克效应(光频移效应)激光冷却气体原子 一文后,他给王育竹写信说道: 这个思想是新的㊁合理的,表达是直接清晰的,建议迅速发表 ,来信原文如下:Dear Professor Wang :I must apologize for being so slow in answering your letter of February 12.Things have been very busy here and ,even now ,I have not been able to find the time to give your fascinating paper the careful study it deserves.The idea is novel and seems quite reasonable.The presentation seems clear and direct ,and as far as I can tell ,it would be appropriate to publish the paper in 111钱逸涛㊀杨㊀凯㊀中国激光冷却原子史的新解读㊀①笔者认为学界里流传的 1980年代中国学者缺少在国际一流学术刊物发表论文的机会 这一说法并不准确,该说法仅限于部分新兴研究领域,并不能推而广之㊂研究开启的时间早晚与后续研究工作的实际进展并无强关联关系,因此不能说是中国学者缺少在国际一流学术期刊发表论文的机会,而可能是还未到发表在国际一流学术刊物的时机㊂the form that you sent me.However,it would be nice if there were some quantita-tive estimates of possible laser powers and the corresponding cooline achiwvable. For instance,when we were preparing our paper,it appeared that available con-tinuous-wave lasers would produce only a little cooling unless a very large volume could be illuminated.Otherwise the atoms,moving at about100km per second, would move out of the illuminated regionbefore appreciable cooling would be a-chieved,But,even if you do not make any additions,I hope that your article will soon te submitted and publish.①来信中肖洛教授也指出现有研究存在的问题 对激光功率及其所对应可以实现的冷却效果缺乏定量化的研究,若原子以100km/s的速度逃出激光照射区域,将无法达到理想的冷却效果㊂此外,据王育竹回忆: 在1980年的国际激光会议上海分会场上,一位国外科学家也不认同交流斯塔克机制,认为在电容器中的原子,加上电压会使原子能级移动,无法冷却原子㊂ [14]虽然这个说法后面被证实有误,但从侧面反映1979年王育竹提出的新机制尚需要实验进一步验证,王育竹本人对此也有回应:(1)这两篇东西(指的是积分球冷却方案和交流斯塔克效应冷却方案)是在十三年前(1977年)开始搞激光冷却时写的东西㊂一篇在1979年成都光频标方案论证会上报告过,一篇未发表㊂由于当时尚无激光冷却方面的理论文章,所以我的两篇文章中没有系统的分析㊂(2)文章中提出了三种冷却方式的基本物理机制,即 利用积分球激光冷却原子束 非球面聚焦镜激光冷却 和 利用序列重复脉冲冷却原子束 它正是世界当前所谓的 Diffusion light cooling 和 White Light cooling 希望大家 把这两个基本思想做深入㊁做系统,做出有中国特色的冷却工作㊂②这证明王育竹在1979年提出的激光冷却新机制并非未被当时国际顶尖科学家注意,而其成果未能引起足够影响的原因可能在于其研究尚处于起步阶段,相关猜想或假设未经严谨的理论推导和数值估算,有效的实验验证工作也未能及时组织起来㊂作为一名严谨的实验物理学家,王育竹很清楚现有研究存在的不足,于是完成激光冷却原子方面的验证实验成为下一步研究工作中的重中之重㊂211㊀‘科学文化评论“第20卷第5期(2023)①②王育竹与肖洛教授的通信往来,1980年3月20日,存于中国科学院上海光机所王育竹办公室㊂王育竹科研说明手稿,1991年8月16日,存于中国科学院上海光机所王育竹办公室㊂2.实验验证1979年,王育竹赴日本东京大学短期交流,在东京大学分子光谱实验室,他与清水富士夫教授合作开展了多光束偏转钠原子束实验,实验方案如图3所示:通过特定实验装置使得激光入射方向垂直于原子束飞行方向,当激光频率与原子跃迁频率共振时,可以观察到偏转原子束的荧光在空间跳动,这显示了光压力的作用[3]㊂该实验结果证明了辐射光压用于激光冷却气体原子的可行性㊂%%图3.多光束偏转原子实验方案图图片来源:‘物理“2011年第7期第424页时隔多年,王育竹对在日本短暂的访问之旅仍记忆犹新,他回忆道: 这个实验结果(指在东京大学开展的多光束偏转原子实验)使我十分振奋㊂它证明了激光气体原子技术的可行性,这是世界上最早用激光观察到的光压力作用的实验结果之一! ①王育竹于1984年与同事在上海光机所组建成中国第一个激光冷却气体实验室(后改名中国科学院量子光学开放实验室),改进了传统原子束装置中探测束流强度的方法㊂利用照相机和一维二极管列阵组成一维荧光探测器,记录了原子束荧光的空间分布,获得了信噪比最佳的实验结果㊂还利用激光偏转原子束的方法第一次测量了热原子束的速度分布,从某种意义来说该项研究是1979年在东京大学实验工作的进一步延续和改进[15]㊂1987年,王育竹团队进行了钠原子束一维激光冷却实验,率先观察到了低于多普勒冷却极限的物理现象,与美国国家标准局(United States National Bureau 311钱逸涛㊀杨㊀凯㊀中国激光冷却原子史的新解读㊀①王育竹‘我的科研自述“,2012年2月,内部资料㊂of Standards,简称NBS)研究小组①成为了世界上最早观察到此现象的两个小组之一㊂其实验方案是使钠原子束垂直通过一维偏振激光驻波场,沿驻波场轴线进入直流磁场,用一维CCD照相机探测原子束荧光空间分布②㊂当调谐激光频率对原子共振的失谐量时,观察到了激光对原子束横向一线冷却和加热现象㊂在论文中王育竹总结了其研究工作:(1)该项研究是利用迟滞偶极力对原子束进行的一维准直实验研究;(2)获得了原子横向速度从50cm/s降低到15cm/s的结果,这相当于有效横向温度从350降低到33μk;(3)原子束的良好准直可以通过具有较大正偏谐的强驻波场来实现;(4)从原理上来说,使用一对垂直驻波场对原子束进行二维准直并不困难㊂[16]对于已取得的实验结果,王育竹最先投稿到‘物理评论快报“上,但评审专家认为文章理论与实验结果不符,因为当时国际上仅有两能级原子的冷却理论,但它不能解释低于多普勒冷却极限温度的实验结果㊂王育竹自述曾想利用 交流斯塔克效应激光冷却气体原子 来解释实验结果,但最终由于信心不足而放弃㊂而在此时美国标准与技术局㊁斯坦福大学研究团队也早早注意到该现象,在朱棣文1989年发表的论文中就明确提出两能级原子的能级的冷却理论并不适用钠㊁钙等原子,在他的研究当中综合使用了计算机程序模拟㊁数值求解㊁实验等多重方法和证据证明了低于多普勒极限现象的存在,从论文结论来看,王育竹等虽然观察到了反常物理现象的存在,但论文最终落点在对实验方法的改进和实验结果的观察上,没有对冷却温度过低这一反常实验结果继续探究,更遑论突破原有理论框架;而朱棣文等人成功的关键在于大胆否定了原多普勒理论中的两个假设(即原子的两能级性质和光场具有纯极化状态的假设),通过大量精确实验的测量,以及多种理论分析手段,发展出了一套与最终实验结果相适应的理论体系,这是完成亚多普勒冷却体系(Sub-Doppler)中的关键一步[17 19]㊂411㊀‘科学文化评论“第20卷第5期(2023)①②1988年8月,美国国家标准局(NBS)更名为美国国家标准与技术研究院(National Institute of Stand-ards and Technology,简称 NIST )㊂CCD即Charge coupled Device,中文全称 电荷耦合元件,是一种半导体器件,能够把光学影像转化为数字信号㊂四 站在国际学术舞台上在激光冷却气体原子的研究过程中,王育竹及上海光机所的研究工作受到了不少国际同行的关注,他多次代表上海光机所在国际激光光谱会议㊁国际量子电子会议(IQEC)(图4)①㊁国际量子学与激光科学会议(QELS)作学术报告,他被推选担任国际激光光谱会议指导委员会成员㊁1992年国际量子电子学会议(EQEC)的共主席,国际第十三次原子物理会议顾问(图4)②㊁国际物理联盟(IUPUP)量子电子专业委员会成员㊁德国马普学量子光学国际顾问委员会成员等多个重要学术职务㊂1999年他还成功当选了瑞典皇家工程科学院外籍院士和国际理论物理中心高级合作成员㊂图4.部分王育竹参与国际学术交流材料图1989 1990年间,王育竹受李政道先生邀请成为新成立的中国高等科学技术中心(CCAST)特别委员,他利用CCAST 的优越实验条件开展研究并获得中心的经费资助㊂但在1989年7月24日,王育竹收到到来自李政道先生的来信,来511钱逸涛㊀杨㊀凯㊀中国激光冷却原子史的新解读㊀①②IQEC 邀请函,1994年5月10日,原件由王育竹院士办公室提供㊂王育竹当选国际原子物理会议顾问书面通知书,1994年3月17日,原件由王育竹院士办公室提供㊂信称: 中心因受意大利政府对中国政府的制裁影响,所有新批示资金全被冻结㊂ ①因此王育竹预想开展的激光冷却实验也就只能作罢㊂对于王育竹与国外科学家的交往情况,现任中国科学院量子光学重点实验室主任刘亮表示: 在我与王先生(指王育竹)的长期交往当中发现王先生的工作得到了国外科学家的普遍尊敬,比如提出交流斯塔克效应的新机制就得到了国外同行的普遍认可,在同国外科学家特别是美国㊁法国㊁德国科学家的学术对话中,王先生能够十分自如㊁从容地介绍自己的工作,他们之间的交流基本都是平等愉快的㊂ ②1994年7月4日王育竹参加了澳大利亚举办的第六届亚太物理会议,参加会议的主要国家和地区包括美国㊁日本㊁新加坡㊁韩国,中国台湾地区㊁中国香港等,大会提交了600多篇论文,各类分会场口头报告达400多场,其中王育竹受邀在大会上作题为 原子光学中的激光冷却和准直原子束 的主题报告,参会学者中还有不少介绍了本国(或地区)量子光学研究发展情况㊂在这一次与国外量子光学领域学者的直接对话中,王育竹深深感受到了亚太地区与美国㊁法国等量子光学领域强国的差距,据王育竹回忆: 亚太地区在量子光学和原子光学的研究水平远不及美国㊁法国,但亚太地区从事中国领域研究的人在增多,研究工作涉及的面很广,其中日本㊁澳大利亚㊁中国的水平较高㊂ ③会议结束后王育竹还访问了澳大利亚昆士兰大学㊁澳大利亚国立大学㊁堪培拉大学等几所大学的物理系㊁信息科学系,并同澳大利亚的几位著名物理学家建立了友好联系㊂结束访问后,王育竹在归国报告中写到: 我国在量子光学和原子光学的研究早已开展,但进展缓慢㊂量子光学研究多为理论计算和理论分析,而这些理论工作都远离实际工作,也远离国际的发展前沿 激光控制原子运动的研究仅在上海光机所和北京大学进行㊂上海光机所已工作十年,在激光偏转原子束㊁亚泊松光子统计验证㊁原子束一维冷却做出了一些有意义的工作 而不能进行三维冷却工作㊂ ④这也从侧面证实了正是在高水平的国际学术交流中,王育竹认识到了20世纪80 90年代间中国激光冷却原子研究工作遇到的瓶颈 很多研究工作只能停留在理论计算㊁分析上,而理论推导㊁计算又与实验工作严①②③④原文为 as you may know,CCAST-World Laboratory funding originates from the Italian Government.Since the end of last month,economic sanctions have been imposed by Italy against China.As a result,the funds for all new CCAST appointments have been frozen ㊂魏荣研究员访谈刘亮研究员,2023年4月14日,上海光机所㊂王育竹参加第六届亚太物理会议纪要,1994年8月20日,内部资料㊂王育竹访问澳大利亚几所大学报告,1994年8月20日,内部资料㊂。
超冷原子物理学的研究进展和应用前景
超冷原子物理学的研究进展和应用前景超冷原子物理学是一门新兴的物理学分支，它主要研究原子在近绝对零度的状态下的性质和行为。
随着实验技术的不断进步，这一领域的研究已经取得了许多重要进展，并且在许多领域中有着广泛的应用前景。
超冷原子物理学的基本概念超冷原子物理学的研究对象是粒子在非常低温下的行为和性质。
所谓的超冷就是指低于绝对零度的状态，通常是几微开尔文以下。
在这样的状态下，原子的自由度会显著减少，因此原子的行为和性质也会发生巨大的变化。
通常使用激光冷却技术将原子冷却至超低温度，然后通过磁场等技术将原子捕获并储存在特定的几何结构中。
这种技术不仅可以让我们更深入地了解原子的本质，还可以用于制造高精度的时间计量器和精密仪器。
超冷原子物理学的研究进展随着技术的进步，超冷原子物理学的研究已经取得了许多重要的进展。
以下是其中的一些：1. 原子钟原子钟是利用原子的振动频率来测量时间的高精度仪器。
超冷原子物理学提供了一种新的制造原子钟的方法，它具有更高的精度和更长的稳定性，可以被广泛应用于天文学和导航领域。
2. 量子计算量子计算是一种新的计算模式，它利用量子力学的物理特性来进行计算。
超冷原子技术可以用来制造量子比特（qubit）和量子门（quantum gate），这是量子计算中必不可少的元件。
3. 原子光学超冷原子物理学的另一个应用领域是原子光学。
通过将原子冷却到足够低的温度，原子的行为会发生改变，允许它们更容易地与激光进行相互作用。
这种相互作用可用于制造高精度的电子显微镜和量子计算机。
4. 奇异物质奇异物质是一种高度精密的量子物质，具有一些非常有趣的性质，如超导性和超流动性。
超冷原子物理学可以用于制造和研究这些奇异物质，有望推动这一领域的研究进一步发展。
超冷原子物理学的应用前景超冷原子物理学的研究进展给我们带来了许多新的机遇和挑战。
下面就用几个例子来说明超冷原子技术未来的应用前景：1. 量子计算量子计算的应用前景非常广泛，这将是下一代计算的基础。
激光的原理与特性
3、亮度高强度大
亮度是光源在单位面积上，向某一方向的 单位立体角内发射的功率.
1米长的40W日光灯,与1米长的40W CO2 激光器 相比亮度相差1010=100亿倍. 红宝石脉冲激光器1016KW/cm2比太阳高100 亿倍.
可用于制造微光武器，在千分之几秒内将 钢板击穿，也可用于控核聚变，触发氢弹。 激光碎石术正是利用此特性。
• 辐射亮度,与人眼对不同波长的感觉无关. YAG激光看不见,但可以切割骨骼、肿瘤等， He-Ne激光能看见，但只能做理疗。
相干性好
若频率相同、振动方向相同的两列波，在相 遇处位相差恒定，这两列波就是相干的。
激光是受激辐射，受激辐射的光子其频率和 振动方向均相同，且光子之间又相互关联，所 以在较长时间内位相差可保持恒定的。因此， 激光具有很好的相干性。
2、激光生物作用机理
• 光致发光作用 • 光致发热作用 • 光敏压强作用 • 光致化学反应 • 光的电磁场作用 • 光致生物刺激作用
3、激光治疗的基本方法及其原理
激光外科术 激光针灸术 激光光动力学术
激光理疗术 激光内镜术
a.激光外科手术
切割:激光光刀(热光刀、冷光刀) 止血:激光光凝 缝合:激光焊接粘合
c、激光穴位治疗
用弱激光的生物刺激作用代替传统的针和灸的刺激进 行治疗称之为激光穴位治疗。
激光穴位治疗对人体作用的基础实验 He-Ne激光穿透能力研的究实验研究
穴位的特异性实验研究 热效应实验研究 对皮肤电阻影响实验研究 对神经系统及肌肉组织的影响实验研究 激光穴位治疗循经传导实验研究 对免疫功能影响的实验研究 镇痛作用实验研究 激发经络隐性传感实验研究
4A2
R2 ：629.9nm 基态
红宝石中Cr3+能级
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激光与原子物理的相互作用
激光和原子物理是两个独立而又有着密切联系的学科领域。
在今天科技高度发达的时代，激光应用已无处不在，其在原子物理中的应用也是举足轻重的。
本文将探讨激光和原子物理之间的相互作用，以及这种作用对于科学研究和应用的影响。
首先，让我们来看看激光是如何与原子物理相互作用的。
激光是一种高度集中的光束，具有高度单色性和相干性。
当激光与物质相互作用时，其能量和动量被传递给物质。
在原子物理中，激光的相干性使得它能够与原子的能级结构相互作用，引起原子的激发、跃迁和退激，从而实现对原子的控制和操作。
一个典型的应用是激光冷却和捕获。
通过使用激光，在实验室中可以将原子的温度降低到极低的温度，甚至可以接近绝对零度。
这种技术为研究原子的玻色-爱因斯坦凝聚态、费米凝聚态等新奇态提供了有利条件。
激光的相干性和能量调控使得我们可以将冷却和捕获技术扩展到更多的原子种类，并在原子物理领域获得更多新的发现。
此外，激光在原子物理实验中还具有精确控制原子的能级跃迁的特点。
通过激光对原子进行光谱调制，可以实现对原子的激发和跃迁的精确控制。
这种技术在原子钟、量子计算等领域有着广泛应用。
例如，在原子钟中，激光用于准确测量原子的能级结构跃迁频率，从而实现高精度的时间测量。
在量子计算中，通过激光的精确控制，可以对原子的量子态进行操控，实现量子比特的操作和量子门的实现。
此外，激光与原子物理的相互作用也为精确测量提供了新的技术手段。
激光干涉测量、激光自由谱技术等方法，通过激光对原子的相互作用，实现对原子性内参量的高精度测量。
这对于精密测量领域，如引力测量、惯性导航等有着重要意义。
除了在实验室中的应用，激光与原子物理的相互作用还在实际生活中发挥着重要的作用。
以激光雷达为例，激光能够通过与原子的相互作用，实现高分辨率的距离和速度测量。
这种技术在交通管理、安全检测等方面有着重要的应用。
综上所述，激光与原子物理之间存在着密切的相互作用。
激光通过与原子的相互作用，实现对原子的冷却、捕获、激发、跃迁和精确控制。
这种相互作用在科学研究和应用中具有重要的意义，推动了原子物理和激光技术的发展。
我们相信，在未来的科学研究和技术应用中，激光与原子物理的相互作用会有更加广泛的应用和深入的研究。