Доплеровское охлаждение

Упрощенный принцип доплеровского лазерного охлаждения:

1	Стационарный атом не видит лазерного смещения ни в красную, ни в синюю сторону и не поглощает фотон.
2	Атом, удаляющийся от лазера, видит, что он смещен в красную область, и не поглощает фотон.
3.1	Атом, движущийся к лазеру, видит, что он смещен в синий цвет, и поглощает фотон, замедляя атом.
3,2	Фотон возбуждает атом, переводя электрон в более высокое квантовое состояние.
3.3	Атом повторно излучает фотон. Поскольку его направление случайное, нет чистого изменения количества движения по многим атомам.

Доплеровское охлаждение представляет собой механизм , который может быть использован для улавливания и замедлить движение из атомов , чтобы охладить вещество. Этот термин иногда используется как синоним лазерного охлаждения , хотя лазерное охлаждение включает и другие методы.

История [ править ]

Доплеровское охлаждение было одновременно предложено двумя группами в 1975 году, первой из которых были Дэвид Дж. Вайнленд и Ханс Георг Демельт ^[1], а второй - Теодор В. Хэнш и Артур Леонард Шавлов . ^[2] Впервые это было продемонстрировано Вайнлендом, Друллингером и Уоллсом в 1978 году ^[3], а вскоре после этого - Нойхаузером, Гогенштаттом, Тошеком и Демельтом. Одна концептуально простая форма доплеровского охлаждения называется оптической патокой , поскольку диссипативная оптическая сила напоминает вязкое сопротивление тела, движущегося через патоку. Стивен Чу ,Клод Коэн-Таннуджи и Уильям Д. Филлипс были удостоены Нобелевской премии по физике 1997 года за свои работы в области лазерного охлаждения и захвата атомов.

Краткое объяснение [ править ]

Доплеровское охлаждение включает свет, частота которого немного ниже электронного перехода в атоме . Поскольку свет расстраивается на «красный» (то есть на более низкую частоту) перехода, атомы будут поглощать больше фотонов, если они будут двигаться к источнику света из-за эффекта Доплера .

Рассмотрим простейший случай одномерного движения по оси x . Пусть фотон движется в направлении + x, а атом - в направлении - x . В каждом случае поглощения атом теряет импульс, равный импульсу фотона. Атом, который сейчас находится в возбужденном состоянии, испускает фотон спонтанно, но случайным образом вдоль + x или - x . Импульс возвращается атому. Если фотон был испущен вдоль + x, то чистого изменения нет, однако, если фотон был испущен вдоль - x, тогда атом движется медленнее либо по - x, либо по + x .

Конечным результатом процесса поглощения и излучения является уменьшение скорости атома при условии, что его начальная скорость больше, чем скорость отдачи от рассеяния одиночного фотона. Если поглощение и испускание повторяются много раз, средняя скорость и, следовательно, кинетическая энергия атома будут уменьшены. Поскольку температура ансамбля атомов является мерой случайной внутренней кинетической энергии, это эквивалентно охлаждению атомов.

Охлаждения доплеровский предел минимальной температуры достижимы при охлаждении Доплера.

Подробное объяснение [ править ]

Подавляющее большинство фотонов, которые приближаются к определенному атому, почти ^[4] полностью не подвержены влиянию этого атома. Атом почти полностью прозрачен для большинства частот (цветов) фотонов.

Несколько фотонов « резонируют » с атомом в нескольких очень узких полосах частот (один цвет, а не смесь, как белый свет ). Когда один из этих фотонов приближается к атому, атом обычно поглощает этот фотон ( спектр поглощения ) в течение короткого периода времени, а затем излучает идентичный фотон ( спектр излучения ) в каком-то случайном, непредсказуемом направлении. (Существуют и другие виды взаимодействий между атомами и фотонами, но они не имеют отношения к этой статье.)

Популярная идея о том, что лазеры увеличивают тепловую энергию вещества, не соответствует действительности при исследовании отдельных атомов. Если данный атом практически неподвижен («холодный» атом) и частоту сфокусированного на нем лазера можно контролировать, большинство частот не влияет на атом - он невидим на этих частотах. Есть только несколько точек электромагнитной частоты, которые имеют какое-либо влияние на этот атом. На этих частотах атом может поглотить фотон из лазера, переходя в возбужденное электронное состояние, и получить импульс этого фотона. Поскольку теперь у атома есть импульс фотона, атом должен начать дрейфовать в направлении движения фотона. Спустя короткое время атом самопроизвольно испускает фотон в случайном направлении, поскольку он релаксирует в более низкое электронное состояние.Если этот фотон испускается в направлении исходного фотона, атом передаст свой импульс фотону и снова станет неподвижным. Если фотон испускается в противоположном направлении, атом должен будет обеспечить импульс в этом противоположном направлении, что означает, что атом получит еще больший импульс в направлении исходного фотона (для сохранения импульса) с удвоенной исходной скоростью. . Но обычно фотон в некоторыхНо обычно фотон в некоторыхНо обычно фотон в некоторыхв другом направлении, давая атому хоть какой-то толчок вбок.

Другой способ изменения частот - изменить положение лазера. Например, с помощью монохроматического (одноцветного) лазера, частота которого немного ниже одной из «резонансных» частот этого атома (на этой частоте лазер не будет напрямую влиять на состояние атома). Если бы лазер был расположен так, чтобы он двигался к наблюдаемым атомам, то эффект Доплера повысил бы его частоту. При одной конкретной скорости частота будет точно правильной, чтобы упомянутые атомы начали поглощать фотоны.

Нечто подобное происходит в аппарате лазерного охлаждения, за исключением того, что такие устройства начинаются с теплого облака атомов, движущихся во многих направлениях с переменной скоростью. Начиная с частоты лазера значительно ниже резонансной частоты, фотоны любого лазера проходят через большинство атомов. Однако атомы, быстро движущиеся к определенному лазеру, улавливают фотоны этого лазера, замедляя эти атомы, пока они снова не станут прозрачными. (Атомы, быстро удаляющиеся от этого лазера, прозрачны для фотонов этого лазера, но они быстро движутся к лазеру, находящемуся прямо напротив него). Это использование определенной скорости для индуцирования поглощения также наблюдается в мессбауэровской спектроскопии .

На графике скоростей атомов (атомы, быстро движущиеся вправо, соответствуют неподвижным точкам далеко вправо, атомы, быстро движущиеся влево, соответствуют неподвижным точкам далеко влево), есть узкая полоса на левом краю, соответствующая скорости эти атомы начинают поглощать фотоны от левого лазера. Атомы в этой полосе - единственные, которые взаимодействуют с левым лазером. Когда фотон от левого лазера врезается в один из этих атомов, он внезапно замедляется на величину, соответствующую импульсу этого фотона (точка будет перерисована на некотором фиксированном «квантовом» расстоянии дальше вправо). Если атом выпускает фотон прямо вправо, то точка перерисовывается на том же расстоянии влево, возвращая ее в узкую полосу взаимодействия. Но обычно атом выпускает фотон в другом случайном направлении,и точка перерисовывает это квантовое расстояние в противоположном направлении.

Такой аппарат будет построен с множеством лазеров, соответствующих множеству граничных линий, которые полностью окружают это облако точек.

По мере увеличения частоты лазера граница сжимается, подталкивая все точки на этом графике к нулевой скорости, что соответствует определению «холода».

Ограничения [ править ]

Минимальная температура [ править ]

Температура Доплера является температура минимально достижимую при охлаждении Доплера.

Когда фотон будет поглощаться атомом против распространяющегося к источнику света, его скорость уменьшается сохранения импульса . Когда поглощенный фотон самопроизвольно испускается возбужденным атомом, атом получает импульс в случайном направлении. Спонтанные выбросы изотропны, и, следовательно, эти импульсы импульса в среднем равны нулю для средней скорости. С другой стороны, средний квадрат скорости в случайном процессе не равен нулю, и, таким образом, к атому подводится тепло. ^[5] В состоянии равновесия скорости нагрева и охлаждения равны, что устанавливает предел на величину, с которой атом может быть охлажден. Поскольку переходы, используемые для доплеровского охлаждения, имеют широкие $\langle v^{2}\rangle$ естественная ширина линии (измеряется в радианах в секунду ), это устанавливает нижний предел температуры атомов после охлаждения равным ^[6] $\gamma$

$T_{\mathrm {Doppler} }=\hbar \gamma /(2k_{B})$

где находится в постоянной Больцмана и приведенная постоянная Планка . Обычно это намного выше, чем температура отдачи , которая является температурой, связанной с импульсом, полученным от спонтанного излучения фотона. $k_{B}$ $\hbar$

Доплеровский предел был проверен на газе метастабильного гелия. ^[7]

Субдоплеровское охлаждение [ править ]

Температуры значительно ниже доплеровского предела были достигнуты с помощью различных методов лазерного охлаждения, включая сизифовское охлаждение и испарительное охлаждение . Теория доплеровского охлаждения предполагает атом с простой двухуровневой структурой, тогда как большинство разновидностей атомов, охлаждаемых лазером, имеют сложную сверхтонкую структуру. Такие механизмы, как сизифовское охлаждение из-за нескольких основных состояний, приводят к температурам ниже доплеровского предела.

Максимальная концентрация [ править ]

Концентрация должна быть минимальной, чтобы предотвратить поглощение фотонов газом в виде тепла. Это поглощение происходит, когда два атома сталкиваются друг с другом, в то время как один из них имеет возбужденный электрон. Тогда существует возможность того, что возбужденный электрон вернется в основное состояние с высвобождением его дополнительной энергии в виде дополнительной кинетической энергии для сталкивающихся атомов, которая нагревает атомы. Это препятствует процессу охлаждения и, следовательно, ограничивает максимальную концентрацию газа, который может быть охлажден этим методом.

Атомная структура [ править ]

Только определенные атомы и ионы имеют оптические переходы, поддающиеся лазерному охлаждению, поскольку чрезвычайно трудно генерировать количество лазерной мощности, необходимой для длин волн намного короче 300 нм. Кроме того, чем более тонкая структура имеет атом, тем больше у него возможностей испускать фотон из верхнего состояния и не возвращаться в исходное состояние, переводя его в темное состояние и выводя из процесса охлаждения. Возможно использование других лазеров для оптической накачки.эти атомы возвращаются в возбужденное состояние и повторяют попытку, но чем сложнее сверхтонкая структура, тем больше требуется лазеров (узкополосных, с синхронизацией по частоте). Поскольку лазеры с синхронизацией частоты сложны и дороги, атомы, которым требуется более одного дополнительного лазера с повторной накачкой , редко охлаждаются; например, обычная магнитооптическая ловушка для рубидия требует одного лазера с повторной накачкой. Это также причина того, почему молекулы, как правило, трудно охлаждать лазером: помимо сверхтонкой структуры, молекулы также имеют ровибронные связи и, следовательно, также могут распадаться на возбужденные вращательные или колебательные состояния. Однако впервые было продемонстрировано, что лазерное охлаждение молекул работает для молекул SrF ^[8].а затем и другие диатомовые вещества, такие как CaF ^[9]^[10] и YO ^[11] .

Конфигурации [ править ]

Встречные наборы лазерных лучей во всех трех декартовых измерениях могут использоваться для охлаждения трех движущихся степеней свободы атома. Общие конфигурации лазерного охлаждения включают оптическую патоку, магнитооптическую ловушку и зеемановский замедлитель .

Atomic ions, trapped in an ion trap, can be cooled with a single laser beam as long as that beam has a component along all three motional degrees of freedom. This is in contrast to the six beams required to trap neutral atoms. The original laser cooling experiments were performed on ions in ion traps. (In theory, neutral atoms could be cooled with a single beam if they could be trapped in a deep trap, but in practice neutral traps are much shallower than ion traps and a single recoil event can be enough to kick a neutral atom out of the trap.)

Applications[edit]

One use for Doppler cooling is the optical molasses technique. This process itself forms a part of the magneto-optical trap but it can be used independently.

Doppler cooling is also used in spectroscopy and metrology, where cooling allows narrower spectroscopic features. For example, all of the best atomic clock technologies involve Doppler cooling at some point.

References[edit]

^ Wineland, D. J.; Dehmelt, H. (1975). "Proposed 1014 Δν < ν Laser Fluorescence Spectroscopy on Tl+ Mono-Ion Oscillator III" (PDF). Bulletin of the American Physical Society. 20: 637.
^ Hänsch, T. W.; Shawlow, A. L. (1975). "Cooling of Gases by Laser Radiation". Optics Communications. 13 (1): 68. Bibcode:1975OptCo..13...68H. doi:10.1016/0030-4018(75)90159-5.
^ Wineland, D. J.; Drullinger, R. E.; Walls, F. L. (1978). "Radiation-Pressure Cooling of Bound Resonant Absorbers". Physical Review Letters. 40 (25): 1639. Bibcode:1978PhRvL..40.1639W. doi:10.1103/PhysRevLett.40.1639.
^ There are processes, such as Rayleigh and Raman scattering, by which atoms and molecules will scatter non-resonant photons; see, e.g., Hecht, E.; Zajac, A. (1974). Optics. Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-02835-5. This type of scattering, however, is normally very weak in comparison to resonant absorption and emission (i.e., fluorescence).
^ Lett, PD; Филлипс, WD; Rolston, SL; Таннер, CE; Ватт, RN; Вестбрук, CI (1989). «Патока оптическая» . Журнал Оптического общества Америки B . 6 (11): 2084–2107. Bibcode : 1989JOSAB ... 6.2084L . DOI : 10.1364 / JOSAB.6.002084 .
^ Летохов, В.С.; Миногин, В.Г .; Павлик, Б.Д. (1977). «Охлаждение и захват атомов и молекул резонансным световым полем». Советская физика в ЖЭТФ . 45 : 698. Bibcode : 1977JETP ... 45..698L .
^ Chang, R .; Hoendervanger, AL; Bouton, Q .; Fang, Y .; Клафка, Т .; Audo, K .; Aspect, A .; Westbrook, CI; Клеман, Д. (2014). «Трехмерное лазерное охлаждение на доплеровском пределе». Physical Review . 90 (6): 063407. arXiv : 1409.2519 . Bibcode : 2014PhRvA..90f3407C . DOI : 10.1103 / PhysRevA.90.063407 .
^ Шуман, ES; Барри, JF; Демилль, Д. (2010). «Лазерное охлаждение двухатомной молекулы». Природа . 467 (7317): 820–823. arXiv : 1103.6004 . Bibcode : 2010Natur.467..820S . DOI : 10,1038 / природа09443 . PMID 20852614 .
^ "Лазерное охлаждение CaF" . doylegroup.harvard.edu/ . Дойл Групп, Гарвардский университет . Дата обращения 9 ноября 2015 .
^ Желязкова, В .; Cournol, A .; Стена, TE; Matsushima, A .; Хадсон, Джей Джей; Хайндс, EA; Tarbutt, MR; Зауэр, BE (2014). «Лазерное охлаждение и замедление молекул CaF». Physical Review . 89 (5): 053416. arXiv : 1308.0421 . Bibcode : 2014PhRvA..89e3416Z . DOI : 10.1103 / PhysRevA.89.053416 .
^ Hummon, M. T.; Yeo, M.; Stuhl, B. K.; Collopy, A. L.; Xia, Y.; Ye, J. (2013). "2D Magneto-Optical Trapping of Diatomic Molecules". Physical Review Letters. 110 (14): 143001. arXiv:1209.4069. Bibcode:2013PhRvL.110n3001H. doi:10.1103/PhysRevLett.110.143001. PMID 25166984.

vteLasers
List of laser articles List of laser types List of laser applications Laser acronyms Laser types: Solid-state Semiconductor Dye Gas Chemical Excimer Ion Metal Vapor
Laser physics	Active laser medium Amplified spontaneous emission Continuous wave Doppler cooling Laser ablation Laser cooling Laser linewidth Lasing threshold Magneto-optical trap Optical tweezers Population inversion Resolved sideband cooling Ultrashort pulse
Laser optics	Beam expander Beam homogenizer B Integral Chirped pulse amplification Gain-switching Gaussian beam Injection seeder Laser beam profiler M squared Mode-locking Multiple-prism grating laser oscillator Multiphoton intrapulse interference phase scan Optical amplifier Optical cavity Optical isolator Output coupler Q-switching Regenerative amplification
Laser spectroscopy	Cavity ring-down spectroscopy Confocal laser scanning microscopy Laser-based angle-resolved photoemission spectroscopy Laser diffraction analysis Laser-induced breakdown spectroscopy Laser-induced fluorescence Noise-immune cavity-enhanced optical heterodyne molecular spectroscopy Raman spectroscopy Second-harmonic imaging microscopy Terahertz time-domain spectroscopy Tunable diode laser absorption spectroscopy Two-photon excitation microscopy Ultrafast laser spectroscopy
Laser ionization	Above-threshold ionization Atmospheric-pressure laser ionization Matrix-assisted laser desorption/ionization Resonance-enhanced multiphoton ionization Soft laser desorption Surface-assisted laser desorption/ionization Surface-enhanced laser desorption/ionization
Laser fabrication	Laser beam welding Laser bonding Laser converting Laser cutting Laser cutting bridge Laser drilling Laser engraving Laser-hybrid welding Laser peening Multiphoton lithography Pulsed laser deposition Selective laser melting Selective laser sintering
Laser medicine	Computed tomography laser mammography Laser capture microdissection Laser hair removal Laser lithotripsy Laser coagulation Laser surgery Laser thermal keratoplasty LASIK Low-level laser therapy Optical coherence tomography Photorefractive keratectomy Photorejuvenation
Laser fusion	Argus laser Cyclops laser GEKKO XII HiPER ISKRA lasers Janus laser Laboratory for Laser Energetics Laser integration line Laser Mégajoule Long path laser LULI2000 Mercury laser National Ignition Facility Nike laser Nova (laser) Novette laser Shiva laser Trident laser Vulcan laser
Civil applications	3D laser scanner CD DVD Blu-ray Laser lighting display Laser pointer Laser printer Laser tag
Military applications	Advanced Tactical Laser Boeing Laser Avenger Dazzler (weapon) Electrolaser Laser designator Laser guidance Laser-guided bomb Laser guns Laser rangefinder Laser warning receiver Laser weapon LLM01 Multiple Integrated Laser Engagement System Tactical High Energy Laser Tactical light ZEUS-HLONS (HMMWV Laser Ordnance Neutralization System)
Category Commons