Лазерно охлаждане
ЛАЗЕРНО ОХЛАЖДАНЕ, намаляване на температурата на ансамбъл от атомни частици по време на резонансен или квазирезонансен обмен на енергия и импулс между атомните частици и лазерното лъчение. В този случай енергията на ансамбъла от частици намалява и енергията на излъчване се увеличава. В атомен ансамбъл, в който фотоните не се абсорбират, а само се разпръскват, е възможно лазерно охлаждане, ако честотата на разсеяните фотони се увеличи и това се случва с честотно отместване срещу Стокс. Има три известни лазерни охлаждащи механизма: доплер, субдоплер и охлаждане под откат.
Доплерово охлаждане. При взаимодействие с лазерно лъчение атомът поглъща фотон, преминава от основното енергийно състояние към възбудено, което води до промяна в скоростта му със стойността на скоростта на откат V = ħk/M, където е константата на Планк, k = 2k/X е векторът на вълната, X е дължината на вълната на излъчване, M е масата на атома. Атомът може да се върне в първоначалното си състояние при стимулирано или спонтанно излъчване на фотон. По време на принудително излъчване фотонът има същата енергийна стойност и посока на разпространение като погълнатия фотон, което води до обратна промяна в атомната скорост със стойността υ = ħk/M. Спонтанните фотони се излъчват в произволна посока; следователно средният принос на такива фотони за промяната в скоростта и импулса на атома е нула. По този начин импулсът на фотона се прехвърля върху атом по време на стимулирано поглъщане и последващо спонтанно излъчване на фотон. Когато този цикъл се повтаря многократно, промяната в импулса на атома е равна на Δр = Nħk, където N е броят на циклите. Ако посоката на движение на атома е противоположна на посоката на лазерния лъч, тогава атомът се забавя. Например, атомът Na при стайна температура има скорост около 10 5 cm/s и скоростта на откат υ = 3 cm/s, следователно, за да се намали скоростта на атома до нула, е необходимо да се приложи около 10 4 цикъла на "абсорбция - спонтанно излъчване".
Когато атомът се забави от лазерно лъчение, се наблюдава доплерова смяна между честотата на поглъщане на атома и честотата на лазерното лъчение, което намалява ефективността на повторното излъчване на лазерни фотони от атома и съответно ефективността на процес на забавяне на атома. Доплеровото изместване се елиминира чрез промяна на честотата на лазерното лъчение или честотата на атомния преход (например в магнитно поле) по време на забавянето на атома.
Не всички атоми взаимодействат с радиацията, а само тези, които имат скорост близо до абсорбционния резонанс. Тези атоми се забавят и поради ефекта на Доплер излизат от резонанс с радиацията. Ако постоянно регулирате честотата на лазера, осигурявайки постоянен резонанс на атомите с радиация, тогава всички атоми се забавят със скорост, равна на проекцията на скоростта върху посоката на лазерния лъч. Използването на три двойки взаимно перпендикулярни противоположни лазерни лъчи дава възможност да се забавят всички компоненти на атомната скорост, т.е. да се извърши триизмерно охлаждане на атомния газ. Това лазерно охлаждане се нарича доплерово охлаждане. Процесите на поглъщане и излъчване на фотони от атом са произволни по време и посоки, това води до произволна промяна в импулса на атома (импулсна дифузия) и увеличаване на неговата средно-квадратна стойност, т.е. загряване на атомният ансамбъл. Минималната температура на атомите по време на доплерово охлаждане се определя от равновесието на процесите на лазерно охлаждане и нагряване поради импулсна дифузия. Минималната стойност на доплер-лазерното охлаждане (така наречената граница на доплер) за алкални атоми е 100 μK.