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原子雷射与光学雷射

一個隨機的開始演化成完美的結果 波與粒子巧妙地互換角色—原子雷射與光學雷射 文/林彥瑋 余怡德 前言 「玻色– 愛因斯坦凝結(Bose-Einstein condensation )」或簡稱「玻愛凝結」是愛因斯坦應用玻色的光子統計 理論所作的預測,當原子的溫度低於臨界溫度時所發生的相變現象。後輩物理學家總是耗費心力才得以實驗證 明愛因斯坦的預測,玻愛凝結是類似例子之一。玻愛凝結的臨界溫度是非常接近絕對零度的低溫,一般約為 0.000001 [1,2] [3] °K 以下,在愛因斯坦提出預測的七十年後,藉由雷射冷卻 與蒸發式冷卻實驗技術, JILA研究中心 的魏曼 (Carl E. Wieman )和康奈爾 (Eric A. Cornell研究小組及麻省理工學院物理系的凱特勒) (Wolfgang Ketterle ) 研究小組於 1995 年首度實驗驗證了玻愛凝結[4,5,6] 。我們一方面讚嘆愛因斯坦的天才是如此地有創意及前瞻性, 另一方面也感嘆科技的發展要追上愛因斯坦的想法是多麼地困難。 利用冷卻技術對一群原子降溫的過程中,即使原子團的溫度已非常接近絕對零度,但高於玻愛凝結的臨界 溫度,基態原子數目仍然非常稀少,只要稍低於臨界溫度,全體原子幾乎都成為基態的原子,這種基態原子數 目於臨界溫度的驟然增加現象即是玻愛凝結相變。玻愛凝結發生後的這群基態原子稱作玻色凝結體( Bose condensate )。玻色凝結體是前所未有的物質狀態,而「原子雷射」及「理想凝體」這兩個名詞貼切地代表玻色 凝結體的特殊性質[7] 。本文將介紹原子雷射的特性與應用,有關理想凝體的描述可參考文獻7 。 原子雷射並不是一般認知的雷射,它是由原子的物質波所構成,與光無任何的關聯。由於原子的物質波具 有很好的同調性,故利用「雷射」這名詞來描述物質波有如雷射般的特性。簡言之,原子雷射就是高同調的物 質波。乍看之下原子雷射與光學雷射似乎毫無關聯,一個是高同調的物質波,另一個是高同調的光或電磁波。 但二者之間卻有許多類似之處,原子雷射與光學雷射的形成與應用上有一對一的對應,更有趣的是原子與光在 這二種雷射中巧妙地扮演互換的角色。原子雷射的能量來自光,我們利用光束來操控物質波;光學雷射的能量 來自原子,我們利用原子構成的光學元件來操控光束。本文將先敘述大家較熟悉的光學雷射原理及光學雷射在 干涉儀的應用,接著介紹原子雷射的激發、放大、單一波長等原理,佐以實驗結果,這些原子雷射的原理皆可 類比光學雷射的原理,最後以原子雷射在干涉儀的應用為例,對照與光學雷射的異曲同工之處。 光學雷射的原理 號;其二是共振腔(resonant cavity),具有選擇特定頻 率及造成單一波長輸出的作用。兩個部分共同運作的 光學雷射是二十世紀的重要科技產物之一,許多 結果就可以產生高同調性的雷射光。以下分別敘述増 與量測有關的儀器都會利用雷射當作光源,例如雷射 益介質與共振腔的原理[8] 。 光可用來測量地球與月球之間的距離,雷射干涉儀可 量測奈米尺度的距離變化,利用雷射光可作氣體含量 考慮一個二能階介質,當一個光子通過介質時, 的遙測。雷射也是日常生活的普及品,電腦的光碟機 會誘發電子產生躍遷,這個躍遷可能是低能態電子吸 都含有雷射讀取頭或讀寫頭,演講或簡報用的指揮棒 收一個光子,然後移至高能態上,這是吸收(absorption) 也改成雷射指揮棒,遠距離的通訊是利用雷射光在光 光子的機制;也有可能是電子從高能態躍遷至低能 纖中傳送訊號。雷射因其重要性及應用已是眾所週知 態,然後放出一個光子,這是受激輻射(stimulated 的高科技名詞,其實雷射發展過程也與愛因斯坦有 emi

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