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《激光技术与应用》课程论文

激光冷却技术

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激光冷却技术

摘要:作为新技术领域的激光冷却，它是利用激光和原子的相互作用减速原子运动来获得超低温原子的技术。早期用于精确测量各种原子参数，简单叙述了该项技术的工作原理，对于实现玻色爱因斯坦凝聚态有着不可或缺的作用。阐述了激光冷却与多普勒原理，提出了激光冷却在连续补偿多普勒频移和光抽运效应上的问题以及针对这两个问题的具体分析。介绍了该项技术的应用，如目前天宫二号上的空间冷原子钟。最后对该项技术未来的发展做简单的分析。

关键词：激光冷却；玻色-爱因斯坦凝聚；原子钟；激光；空间冷原子钟；多普勒原理

Abstract:Asanewtechnology,lasercoolingisatechniquetoobtainultralowtemperatureatomsbyusinglaserandatominteractiontoslowdownatomicmotion.Intheearlystage,itwasusedtopreciselymeasurevariousatomicparameters,andtheworkingprincipleofthistechniquewasbrieflydescribed.ItisindispensablefortherealizationofBoseEinsteincondensates.TheprincipleoflasercoolingandDopplerisexpounded.TheproblemsoflasercoolingincontinuouscompensationofDopplerfrequencyshiftandopticalpumpingeffectareputforward,andtheconcreteanalysisofthesetwoproblemsisalsopresented.Theapplicationofthistechnique,suchasthespacecoldatomicclockinheavenlypalaceNo.two,isintroduced.Finally,abriefanalysisofthefuturedevelopmentofthetechnologyisgiven.

Keywords:LaserCooling;BoseEinsteinCondensates;AtomicClock;SpaceColdAtomicClock;DopplerPrinciple;Laser

随着现代科学技术的发展，我们的生活逐渐发生着变化，自1960年激光诞生以来伴着激光器的发明越来越多的新技术被发掘出来，在各行各业上，及其广泛，有激光电影、激光手术、激光针灸、激光裁剪、激光焊接、激光唱片、激光测距仪、激光炸弹、激光雷达、激光枪、激光炮等等。激光还能用来冷却原子，为验证相对论和实现爱因斯坦的科学预言提供了必要的物理手段，同时利用超冷原子气体研制的高稳定度和准确度的原子钟可在更高精确度上测量引力红移、原子结构常数的演化和光的各向异性。不仅如此激光冷却气体原子也是实现玻色-爱因斯坦凝聚必不可少的深度冷却过程。

因为激光频率扫描法是通过改变激光频率来适应原子的减速过程，但是对激光器的要求非常高，如钠原子需要激光频率的改变率为1500左右，同时激光扫描是周期性的，一个扫描周期产生一团减速原子束，减速原子呈脉冲式，并非连续的，所以一般不采用此方法；而原子共振频率变化法中激光频率保持不变，通过改变原子的共振频率来补偿多普勒频移可以利用在原子束减速途径上设置随空间变化的电磁场，利用变化的塞曼或斯塔克效应随时调整，使失谐与原子速度的变化相匹配。

1.1.2.2克服光抽运效应

实际上用于激光减速的原子，基态具有多个能级（如超精细结构）。原子吸收光子减速后，自发辐射出光子回到基态时可能落到其他能级，这时原子共振频率变化，单色性好的激光不能被吸收，即不能被减速。对此通常采用循环跃迁光减速和反抽运激光相结合的方法。

循环跃迁是指，原子在吸收单色共振光上升到激发态以后，通过自发辐射回到基态时只能落到原来的状态。这样，原子只能在上下两能级间周而复始地跃迁构成一准二能级系统。可以利用单色窄带激光的能级选择激发法和偏振光激发法来完成。

反抽运激光，起“捡