将原子冷却到超低温为基础物理学、精密计量学和量子科学带来了大量机遇。

激光冷却与捕获的基本原理

1975 年，Hansch 和 Schawlow 率先发明了激光冷却技术 [1]，这是原子操控领域的重大突破。该方法利用多普勒效应，利用反向传播的激光束引起向其移动的原子发生频率偏移，从而增强光子散射，随后造成动能损失。Chu 等人于 1985 年 [2] 证明了这一原理，实现了接近光子反冲极限的极低温度。

激光冷却技术的进步已经超越了光子反冲极限，使得在极低温度下操控原子成为可能。速度选择性粒子捕获 [3] 和受激拉曼跃迁等技术扩展了原子操控的可能性，为开创性的实验提供了途径。

作为激光冷却的补充，原子捕获包括多种针对带电和中性粒子的方法。带电粒子陷阱利用电场或电磁场中的库仑相互作用，促进超高精度光谱学和探索量子效应。中性原子陷阱利用辐射压力、磁场或光偶极力等相互作用，每种方法都为超冷原子量子物质实验提供了独特的优势。

光学偶极阱

光学偶极阱是一种原子捕获机制，其工作原理是利用电偶极子与远失谐光之间的相互作用，与其他捕获机制（如辐射压力阱或磁阱，典型深度低于一毫开尔文）相比，其作用较弱。根据具体条件，捕获机制不受电子基态特定亚能级的影响。这使得实验能够充分利用内部基态动力学，进行长时间实验，可能持续数秒。此外，光学偶极阱在捕获几何形状方面具有多功能性，允许高度各向异性或多阱势。从历史上看，光学偶极力作为偶极阱中的一种限制机制的概念出现在 Askar’yan (1962) 在等离子体和中性原子背景下的工作中，Letokhov (1968) 提出了使用这种力捕获原子的想法，表明在远离原子跃迁频率的驻波节点或波腹处进行一维限制。阿什金（1970）证明了激光通过辐射压力和偶极力的共同作用捕获微米级粒子。随后，他于1978年提出了中性原子的三维陷阱。

以 Chu 等人于 1986 年开展的开创性工作 [4] 为例，光学偶极阱因其多功能性和精确度而脱颖而出。这些阱利用远失谐光，将原子限制在保守势中，干扰最小，从而实现较长的相互作用时间和高保真度实验。它们已成为从原子捕获到原子光学等各个领域不可或缺的工具。

探索各种冷却和捕获技术

激光冷却和捕获领域取得了显著进展，推动了基础研究并实现了跨学科的新应用。从揭开量子之谜到获得对原子运动的前所未有的控制，这些技术不断突破原子物理学的界限。

根据所需应用，有各种捕获和冷却技术。例如，磁捕获利用原子磁矩的排列，而聚焦激光束产生的感应偶极矩可以利用时变电场捕获原子。这些方法的应用范围从低温恒温器到用于研究目的的原子束操纵。

另一方面，Hänsch 于 1975 年提出的辐射冷却则探索通过光子散射来操控原子，使原子通过反复的散射事件损失能量和动量，最终降低其平移温度。这种冷却过程有望应用于光谱学和光束准直。

捕获带电和中性粒子一直是推动各种能量尺度科学研究的关键。特别是离子阱，它提供独立于内部离子结构的限制，促进了各种实验研究。对于中性原子，不同的捕获机制，包括辐射压力阱、磁阱和光学偶极阱，提供了多功能性和精确性，使长时间实验和高保真度实验成为可能。

各种冷却方法，如多普勒冷却、极化梯度冷却和蒸发冷却，都可用于实现高效阱加载和维护所需的低温和高相空间密度。

碰撞，包括二体和三体相互作用，在陷阱损失和热化中起着重要作用，为了解基本的碰撞过程提供了依据。

我们可以看到，每种冷却和捕获技术都为实验工具箱做出了独特的贡献，有助于精确控制和操纵捕获的粒子以进行各种科学研究。

基本加热机制

冷却的反作用机制是加热。加热的一个主要来源是陷阱光子的自发散射，这个过程的随机性会引起辐射力的波动。在偶极子陷阱中，其特征是远失谐条件，散射主要是弹性的，这意味着散射光子的能量与激光的频率一致，而不是光学跃迁。吸收和自发再发射过程都表现出波动，导致整体加热（Minogin 和 Letokhov，1987 年 [5]）。在接近共振的强光场中，特别是在驻波配置中，不同行波分量之间的光子诱导重新分布会引起显著的加热（Gordon 和 Ashkin，1980 年 [6]；Dalibard 和 Cohen Tannoudji，1985 年 [7]）。

除了偶极阱的基本加热机制外，技术加热还源于捕获场的强度波动和指向不稳定性（Savard 等人，1997 年）。在前一种情况下，发生在两倍特征阱频率处的波动可以参数化地驱动原子运动振荡，而在后一种情况下，阱频率下的潜在震动会增加运动幅度。从实验上讲，这些问题很大程度上取决于特定的激光源及其技术噪声光谱。因此，使用具有超低相对强度噪声 (RIN) 的激光光源至关重要。例如，Ampheia在很宽的频率范围内表现出超低 RIN。

激光捕获和冷却的未来：前景如何？

随着激光技术的不断改进，激光捕获和冷却技术的未来将取得显著进步。该领域的主要挑战之一是控制噪声引起的加热，这可能会损害冷却机制的效率。然而，随着具有超低相对强度噪声 (RIN) 的激光器的发展，这些障碍越来越容易克服。这些先进的激光器通过提供稳定、精确的光场，显著缓解了基本和技术上的加热问题，这对于最大限度地减少波动和不稳定性至关重要。

随着我们进一步完善这些技术，实现激光捕获和冷却前所未有的控制和精度水平的潜力将变得越来越明显，为实验物理和实际应用开辟了新领域。这一进展不仅提高了我们维持超低温的能力，还使我们能够探索以前无法接近的现象，预示着量子力学研究和应用的新时代的到来。

用于冷却和捕获的激光器有哪些？

对于激光冷却和捕获来说，至关重要的是激光源具有超低相对强度噪声 (RIN)、极窄线宽 (kHz)、高输出功率 (瓦特) 和出色的光束质量 (M2< 1.1)。原子冷却的程度取决于激光器的性能；更高的噪声和更宽的线宽意味着原子仍处于运动状态，因此限制了它们可以冷却到的温度。基于铷、铯、锶、钙和镱等原子的量子比特从激光冷却技术中受益匪浅，可实现稳定量子操作所需的低温。紧凑型可调谐激光器在此过程中发挥着至关重要的作用，它提供了有效量子比特操纵和集成到实际量子计算系统所需的精度、稳定性和灵活性。

Cobolt  Qu-T是一款紧凑型、可广泛调谐的激光器，具有 650-950 nm 范围内的单频 CW 发射、中心波长固有的高灵活性和理想的 TEM00 光束，同时具有 10 kHz 线宽、高达 500 mW 的功率和非常干净的光谱。每个发射波长都可以在几纳米范围内进行无间隙粗调，并使用快速压电控制主动锁定到外部参考。此属性非常适合激光冷却，因为您可以针对要冷却的特定原子的激发频率进行定位。该激光器可以与频率合束器集成以配对多个激光器，并且非常紧凑。

Ampheia 超低噪声光纤激光器在很宽的频率范围内具有极低的 RIN，线宽在 kHz ，并在 1064 nm 时提供高达 50 W 的功率，是捕获离子或原子的理想选择。

C-WAVE 可调谐激光器是基于光参量振荡器 (OPO) 技术的广泛可调谐连续波 (cw) 激光光源。波长覆盖范围从 450nm 至 3.5µm,可见光范围内无间隙调谐范围高达 250nm ,单频输出，典型线宽< 500kHz,输出功率高达瓦级。C-WAVE 可调激光器提供多种调谐机制，从全自动波长方法到真正连续的无跳模扫描，频率范围超过数十 GHz。在闭环操作中，可以实现数小时内高达 +/- 2 MHz 的长期频率稳定性。其他突出特点包括极低的放大自发辐射水平以及出色的空间光束轮廓和光束指向稳定性。

References:

• [1] T.W. Hänsch, A.L. Schawlow, “Cooling of gases by laser radiation,” Opt. Comm., 13, (1), 68-69, 1975.
• [2] Chu, Steven and Hollberg, L. and Bjorkholm, J. E. and Cable, Alex and Ashkin,
  “Three-dimensional viscous confinement and cooling of atoms by resonance radiation pressure,” Phys. Rev. Lett., 55, (1), 48-51, 1985}.
• [3] Aspect, A. and Arimondo, E. and Kaiser, R. and Vansteenkiste, N. and Cohen-Tannoudji, C., “Laser Cooling below the One-Photon Recoil Energy by Velocity-Selective Coherent Population Trapping,”Phys. Rev. Lett., 61, (7) 826 – 829, 1988.
• [4] Chu, Steven and Bjorkholm, J. E. and Ashkin, A. and Cable, A., “Experimental Observation of Optically Trapped Atoms” Phys. Rev. Lett., 57, (3), 314-317, 1986.
• [5] Minogin VG, Letokhov VS. “Laser Light Pressure on Atoms,” Gordon and Breach Science Publishers, 1987.
• [6] Gordon, J. P. and Ashkin, A., “Motion of atoms in a radiation trap,” Phys. Rev. A, 21 (5), 1606-1617, 1980.
• [7] J. Dalibard and C. Cohen-Tannoudji, “Dressed-atom approach to atomic motion in laser light: the dipole force revisited,” J. Opt. Soc. Am. B 2, 1707-1720 (1985).