激光冷卻

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眾所周知，激光是高功率的光束，它能產生高溫，因而有激光手術、激光焊接等應用。但是激光居然還能用來冷卻，而且可以冷卻到絕對溫度百萬分之一度以下，卻似乎有點不太好理解。

激光冷卻涉及到多個物理原理，概括起來主要有光的多普勒效應、原子能級量子化、光具有動量。另外，激光的高度單色性和可調激光技術也非常重要。

光的多普勒效應是指，如果你迎著光源的方向運動，觀察到光的頻率將會增加；如果背離光源方向運動，觀察到的光的頻率將會降低。

原子可以吸收電磁輻射的能量，使其本身的能量升高；也可以釋放出電磁輻射，同時自身的能量降低。原子的能級量子化，是指原子隻能吸收和放出某些特定頻率的電磁波。按量子理論，電磁波的能量隻能以某種不可分割的單位--能量子--與別的物質相作用。而每一份能量子所含的能量正比電磁波的頻率，所以，隻吸收和釋放某些特定頻率的電磁波，就意味著原子的能量隻能取某些特定的值，故稱為能級量子化。

光與其它實物粒子一樣，也具有動量。當一個原子吸收一份電磁波的能量子(即光子)時，它同時也獲得了一定的動量。光的動量與光的波長成反比，方向與光的傳播方向相一致。

現在假設某種原子隻吸收頻率為f0的電磁波。如果我們把激光的頻率調在略小於f0的頻率上(可調激光技術可以讓我們精確地調節所需激光的頻率)，並把這樣一束激光射在由那種原子組成的樣品上，將會發生什麽現象呢？

我們知道，在高於絕對零度的任何溫度下，組成樣品的原子都在作無規則的熱運動。當其中某個原子的運動方向指向激光的光源時，由於多普勒效應，在這個原子看來激光的頻率會略高一些。因為我們把激光的頻率調在略低於f0，多普勒效應可以使得飛向光源方向的原子看到的激光頻率正好等於f0。這樣，這個原子就有可能吸收激光的能量。在它吸收能量時，它同時也獲得了動量。由於激光傳播的方向與原子運動的方向相反，獲得的動量將使原子的運動速度變慢。

如果另一個原子的運動方向背離激光的光源時，由於多普勒效應，這個原子看到的激光頻率將降低，這樣將更加遠離它能吸收的電磁波的頻率，所以這個原子不會吸收激光的能量，也不會從激光那裏獲得使它加速的動量。

如果我們多設置幾個激光源，從多個方向照射那個樣品。那麽按上麵的分析，無論樣品的原子往哪個方向運動，它都隻吸收迎麵而來的激光，因而其運動速度總是被降低。這些原子就好象處在粘稠的糖漿中，它的運動一直受到阻撓，直到幾乎完全停止。所以激光冷卻裝置又被稱為“光學糖漿”。

這樣，在激光的照射下，組成樣品的原子的熱運動速度不斷降低，它的溫度也就不斷地降低。那麽用這種辦法有沒有可能達到絕對零度呢？答案是否定的。因為樣品原子在吸收了光子之後，其自身能級將升高，因而並不穩定。它會再次釋放光子，使自己處於更穩定的狀態。釋放光子時，它也會失去一部分動量，從而產生相反方向的加速。釋放光子的方向是隨機的，所以在長期平均來看，它並不產生淨的加速。但是它畢竟使原子獲得了隨機的瞬間速度，這本身也是一種熱運動，所以要達到絕對零度是不可能的。隻是這種熱運動的幅度很小，其對應的溫度對大多數原子來講在千分之一開以下。