激光冷却

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众所周知，激光是高功率的光束，它能产生高温，因而有激光手术、激光焊接等应用。但是激光居然还能用来冷却，而且可以冷却到绝对温度百万分之一度以下，却似乎有点不太好理解。

激光冷却涉及到多个物理原理，概括起来主要有光的多普勒效应、原子能级量子化、光具有动量。另外，激光的高度单色性和可调激光技术也非常重要。

光的多普勒效应是指，如果你迎着光源的方向运动，观察到光的频率将会增加；如果背离光源方向运动，观察到的光的频率将会降低。

原子可以吸收电磁辐射的能量，使其本身的能量升高；也可以释放出电磁辐射，同时自身的能量降低。原子的能级量子化，是指原子只能吸收和放出某些特定频率的电磁波。按量子理论，电磁波的能量只能以某种不可分割的单位--能量子--与别的物质相作用。而每一份能量子所含的能量正比电磁波的频率，所以，只吸收和释放某些特定频率的电磁波，就意味着原子的能量只能取某些特定的值，故称为能级量子化。

光与其它实物粒子一样，也具有动量。当一个原子吸收一份电磁波的能量子(即光子)时，它同时也获得了一定的动量。光的动量与光的波长成反比，方向与光的传播方向相一致。

现在假设某种原子只吸收频率为f0的电磁波。如果我们把激光的频率调在略小于f0的频率上(可调激光技术可以让我们精确地调节所需激光的频率)，并把这样一束激光射在由那种原子组成的样品上，将会发生什么现象呢？

我们知道，在高于绝对零度的任何温度下，组成样品的原子都在作无规则的热运动。当其中某个原子的运动方向指向激光的光源时，由于多普勒效应，在这个原子看来激光的频率会略高一些。因为我们把激光的频率调在略低于f0，多普勒效应可以使得飞向光源方向的原子看到的激光频率正好等于f0。这样，这个原子就有可能吸收激光的能量。在它吸收能量时，它同时也获得了动量。由于激光传播的方向与原子运动的方向相反，获得的动量将使原子的运动速度变慢。

如果另一个原子的运动方向背离激光的光源时，由于多普勒效应，这个原子看到的激光频率将降低，这样将更加远离它能吸收的电磁波的频率，所以这个原子不会吸收激光的能量，也不会从激光那里获得使它加速的动量。

如果我们多设置几个激光源，从多个方向照射那个样品。那么按上面的分析，无论样品的原子往哪个方向运动，它都只吸收迎面而来的激光，因而其运动速度总是被降低。这些原子就好象处在粘稠的糖浆中，它的运动一直受到阻挠，直到几乎完全停止。所以激光冷却装置又被称为“光学糖浆”。

这样，在激光的照射下，组成样品的原子的热运动速度不断降低，它的温度也就不断地降低。那么用这种办法有没有可能达到绝对零度呢？答案是否定的。因为样品原子在吸收了光子之后，其自身能级将升高，因而并不稳定。它会再次释放光子，使自己处于更稳定的状态。释放光子时，它也会失去一部分动量，从而产生相反方向的加速。释放光子的方向是随机的，所以在长期平均来看，它并不产生净的加速。但是它毕竟使原子获得了随机的瞬间速度，这本身也是一种热运动，所以要达到绝对零度是不可能的。只是这种热运动的幅度很小，其对应的温度对大多数原子来讲在千分之一开以下。