激光冷却与陷阱捕获的原理-seo

本章介绍的几种不同的非线性光谱学技术，可以用于气体样品的高分辨光谱研究，其分辨率仅受二阶多普勒加宽和渡越时间展宽的限制。为了克服这两种限制，最好的解决办法是将原子冷却到非常低的温度，在大大降低它们的绝对速度后，最终将它们捕获到一个特定的空间区域，这样既可以进一步减小二阶多普勒加宽的影响，又使得激光束和这些被陷俘原子之间的相互作用时间更长。

光学冷却和陷俘原子的原理可以是基于梯度光场的激光驱动，也可以是基于对原子施加的共振辐射压力。

当一个不均匀的单色光场与一个气态介质的原子相互作用时，每个原子都会经受到由下式所表达的有质动力的作用：

式中，是原子的线性电极化率的实数部分，它依赖于入射共振光场的频率调谐，可分别取正值或负值，而E（ω）是光场的振幅函数。式（9-76）的物理意义是，原子在所处的共振吸收光场中，将承受到与光强梯度成正比的驱动力的作用。Letokhov最早在1968年提出理论建议，认为在一个强激光单色驻波场的作用下，如果光场频率的调谐使得取负值，则共振吸收原子有可能被困陷在驻波光场波腹的位置处，如图9-23所示。其发生的前提是，气体原子事先已被冷却到足够低的温度，使得原子沿z轴的运动速度应该慢于如下的一个临界值［88］：

图9-23　共振吸收原子可被陷俘在一种强单色驻波的波腹位置处

式中，E0为驻波的振幅，m为原子的质量。

作为另一种不同的方法，1970年Ashkin提出理论建议，认为气态介质中的原子速度可由激光束的共振辐射压力加以控制［89］。如图9-24（a）所示，当向前运动的原子吸收一个反向行进的光子时，根据动量守恒，这个原子将获得一种大小为的反冲动量，相应的原子速度的减少量为(www.xing528.com)

通过这种共振吸收过程的连续和重复动作，正向运动原子可以逐渐冷却下来。虽然每次原子吸收的光子能量可以通过荧光发射而得到释放，而每次荧光发射也会对原子产生一定的动量反冲，但由于这种荧光发射的各向同性，因而再发射的平均结果并不影响原子按原运动方向上的持续减速。

图9-24　对一个反向行进光子的共振吸收导致原子运动速度的减小（a），一个原子可以被从四面八方入射并且频率位于多普勒线宽低频一侧的众多光子所冷却（b）

此外，考虑到图9-24（a）中所示情况下的多普勒效应，可以发现到用υ速度运动的原子只能吸收一个具有满足以下共振条件的反向行进光子：

式中，ω0是静止原子的共振吸收频率。在此考虑下，Hansch和Schawlow于1975年提出［90］，利用频率被调谐在多普勒线加宽轮廓中心的低频一侧，而从所有方向对原子进行向心辐照，将会获得更为有效的冷却效果，如图9-24（b）所示。

然而进一步考虑到，如图9-24（b）所示，如果入射激光线宽远小于多普勒谱线宽，一旦原子速度变慢了，他们就不能满足式（9-79）的要求再继续吸收其他的光子了。为了使原子的共振吸收和减速持续发生，可以采取两种措施。一种方法是在光学冷却过程中，在多普勒线宽的低频一侧，及时地扫描可调谐的激光频率，以确保不同速度的所有原子能够连续减速。另一种方法则适用于利用固定频率的激光束冷却准定向原子束。在后一种情况下，可以让原子束通过空间渐变的磁场（由锥形螺线管产生），而逐渐经受由渐变塞曼频率移动而改变的ω0值；因此，即使对一个固定的激光频率ω和不断减小的速度υ而言，共振吸收条件式（9-79）恒可得到满足。