激光冷却和陷俘技术可以有效地消除一阶和二阶多普勒效应的影响，同时又可极大地降低渡越加宽的影响，从而使它成为一种新型的超高分辨率光谱技术。基于这种新技术，人们得以在更高光谱分辨率的水平上，去研究一系列气态原子系统的自然线宽、超精细结构、同位素移动、跃迁动力学过程等。已经被研究报道过的样品系统，包括碱金属原子Cs［96］，Rb［97～100］，Fr［101，102］，碱土金属原子Ca和Sr［103～105］，其他金属原子Yb［106，107］，Er［108，109］，Dy［110］，Hg［111，112］以及其他非金属原子［113～115］。在大多数研究中，样品原子先被光学预冷，然后再被MOT陷俘，达到低于10-4 K的温度水平。以下列举几个具代表性的成功实例。
图9-27所示的是用激光制冷与陷俘技术测得4He与6He原子23S1-33P2跃迁的光谱轮廓曲线［114］。在这项由Wang等人完成的工作中，先使用波长为1 083 nm的激光与23S1-23P2跃迁产生共振并实现预冷与磁光陷俘，然后再采用另一束在389 nm波长附近可调谐的二极管激光去激发原子的23S1-33P2跃迁，完成后一跃迁的原子，将发射出共振荧光信号并可被一光电倍增管探测到。根据图9-27的结果，测得的光谱线全宽度（FWHM）对4He而言为6.8±0.1 MHz，对6He而言为6.2±0.4 MHz；而上述跃迁的实际自然线宽为5 MHz，这意味着测得的谱线宽值已经十分接近前者。此外，该实验还测得4 He与6He之间的同位素移动值为43 194.772±0.056 MHz。
图9-27 用激光冷却与陷俘方法测得的4He原子（a）与6He原子（b）23S1-33P2跃迁的光谱轮廓曲线［114］
为了实现新的光学时钟和频率标准，从一种合适的原子或离子系统中，探寻一个高度稳定并具极窄线宽的时钟跃迁，是十分重要的。其中已经被考虑过的候选者之一是镱（Yb）原子的1S0↔3P0跃迁。实际上，从自旋和轨道角动量出发，中性Yb原子（6s2）1S0↔（6s6p）3P0（6s2）1S0↔（6s6p）3P0跃迁在偶极近似下是禁戒的，但借助于3P0能级超精细结构与邻近能级的耦合作用，上述跃迁仍有一定的发生概率，而计算出的自然线宽极端之窄（10 mHz）。基于这种考虑，Hoyt等人使用激光冷却和陷俘方法测量了171Yb和173Yb两种原子的上述吸收跃迁光谱曲线，其结果如图9-28所示［107］。这两种同位素原子首先被一波长为398.9 nm的激光束预冷，然后采用波长为555.8 nm的多激光束进行MOT陷俘。经陷俘后的原子云，再用波长为578.4 nm和线宽为5 kHz的激光进行辐照，去激励最终感兴趣的（6s2）1S0↔（6s6p）3P0时钟跃迁。通过探测伴随这一跃迁的共振荧光发射，可以间接测量出该吸收跃迁的光谱轮廓曲线。图9-28中的纵坐标代表了较低（6s2）1S0能级上原子数的相对减少，它是578.4 nm激光频率对时钟跃迁中心频率失调谐的函数。该图所示的实验曲线，呈现出一种由残余多普勒效应所决定的高斯线形，从而可进一步确定被测定的两种同位素原子的温度分别为84 μK与48 μK。
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图9-28 用激光冷却与陷俘方法测得的171Yb原子（a）与173Yb原子（b）（6s2）1S0
（6s6p）3P0吸收跃迁的光谱轮廓曲线（纵坐标表示跃迁低能级上原子数的相对减少）［107］
另一方面，金属汞（Hg）原子是另一个令研究者们感兴趣的候选者之一，因为它也可提供适当的具有高稳定性和极窄线宽的光学时钟跃迁选择。Petersen等人使用激光冷却与MOT方法，测量了109 Hg与201Hg两种同位素原子（6s2）1S0↔（6s6p）3P0时钟跃迁的光谱轮廓曲线［112］。在他们的实验中，首先利用波长为253.7 nm的激光对Hg原子进行冷却与陷俘，然后再采用波长在265.6 nm附近可调谐的一组对撞激光束对（6s2）1S0↔（6s6p）3P0时钟跃迁做饱和光谱测量。在后一种情况下，通过对利用另外不同波长的激光束所激发的荧光信号的检测，可以间接测量出时钟跃迁低能级原子数减少作为饱和吸收激光频率调谐的函数。针对109 Hg同位素原子所测量的结果如图9-29所示。从该图中可以看出两个清楚分开的光谱窄峰，它们是由于原子吸收导致两个反向传播激光光子的反冲效应造成的。应该注意到，图9-28和图9-29两图纵坐标的物理意义实际上是相同的。由该图还可看出，测量到的最窄单峰线宽≤10 kHz，这意味着实际的光谱分辨率（v0/δv）已≥1011。
图9-29 用激光冷却与陷俘方法测得的199 Hg原子（6s2）1S0↔（6s6p）3P0时钟跃迁饱和吸收光谱测量结果曲线（纵坐标间接表示该跃迁低能级粒子数由上述共振吸收引起的减少）［112］
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