Transcript Nobel Laureates Referred to Laser Spectroscopy and Their

激光光谱研究室
The two faces of light
激光光谱领域的诺贝尔奖
What is
light actually? Is it a surging, colourful
wave movement
or is it a rushing stream of
得主及其贡献
particles? Most of us would like it to be one or
Nobel Laureates Referred to Laser
the other, but nature is more ingenious
Spectroscopy and Their Contributions
-light is in fact both waves and particles.
武寄洲 贾锁堂
量子光学与光量子器件国家重点实验室
激光光谱研究室
Max Planck: October 19, 1900

Interpolation formula
for thermal radiation
distribution –a brilliant
success
December 14, 1900:

æ
3ç
8p hn çç
1
çç
r n dn =
3
hn
c çç
çèexp kT -
ö
÷
÷
÷
÷
dn
÷
÷
÷
÷
1÷
ø
Model: Ensemble of 1-dimensional charged
harmonic oscillators exchanging energy with
radiation field
–reached “correct” equilibrium distribution
only if oscillator energy states were discrete
En = nhv
Albert Einstein:1905
Found two suggestions that light is quantized
 - Structure of Planck’s entropy for high frequencies
 - The photoelectric effect
He noted in later studies –
-Momentum of Quantum (1909)
 E  h  

E
h
h
2

p

n

n

n

n k

c
c



-New Derivation of Planck’s law (1916)
A = Spontaneous radiation probability
B = Induced radiation rate
Compton effect: 1923
Completed picture of particle-like behavior
of quanta-soon known as photons(1926)
Wave-particle duality extended to matter
With every matter particle of mass M and velocity
v is associated a wave with a wavelength dB
given by :
h
dB 
Mv
Louis de Broglie 1924
The state of a matter particle is described by a
wave function obeying the Schrödinger equation
L. de Broglie, W. Heisenberg, E. Schrödinger:
1924-26
-told all about atoms
But radiation theory was still semi-classical
until P. Dirac devised
Quantum Electrodynamics in 1927
Elementary interaction processes
between atoms and photons
Spontaneous emission of a photon
An atom does not remain indefinitely
in the excited state e. After a finite
time  R , it falls back to the ground
state g by spontaneously emitting a Radiative lifetime of e, on
the order of 10-8s
photon in all possible directions.
Stimulated emission of a photon (Einstein 1917)
A photon with energy h  Ee  E f
impinging on an atom in the
excited state e stimulates this
atom to emit a photon exactly
identical to the impinging
photon (same energy, same
direction of propagation,
same phase, same
polarization)
i.e. Coherence——
The distinction
between Stimulated
emission and
Spontaneous emission
The Nobel Prize in Physics1964
Charles Hard Townes
MIT
Cambridge,
Massachusetts,USA
Nicolay
Gennadiyevich Basov
P.N. Lebedev Physical Institute
Moscow, USSR
Aleksandr
Mikhailovich
Prokhorov
P.N. Lebedev Physical Institute
Moscow, USSR
for fundamental
work in the field of
quantum electronics,
which has led to the
construction of
oscillators and
amplifiers based on
the maser-laser
principle.
Charles Hard
Townes
MIT
Cambridge,
Massachusetts,USA
汤斯教授曾于1933至1947年间在贝尔实验室(Bell
Lab)工
1958年,汤斯教授和肖洛博士(Arthur.
L. Schawlow)在理论上
Professor
Charles Hard Townes是激光(laser
light)的发明者.
作.
翌年,他转到哥伦比亚大学(Columbia University)当教授.
1915年7月28日,汤斯生于美国南科罗拉多州的Greenville
证明Maser在可见光和红外线的范围亦可运作,并共同发表论文
1951年,汤斯正式开展有关激光的研究工作.该年,汤斯教授的
1935年,他获富尔曼大(Furman University)以最高荣誉颁授
论述可见光和红外线激射放大器,亦即Laser
研究小组着手设计一种以氨气作为放大媒质的仪器;并于1954
的物理学学士及现代语言文学士两个学位
(Light
Amplification by Simulated Emission of Radiation).
年成功研制成第一台微波激射放大器,称为Maser
1936及1939年获杜克大学(Duke
University)颁授物理学硕士
汤斯教授现在于加州大学柏克莱分校从事多方面的研究,其中
(Microwave
Amplification byInstitute
Simulated
Emission of Radiation).
及加州理工学院(California
of
Technology)颁授哲学博
包括应用干涉技术来进行中红外波段的高角解像度天文学,身兼
士学位.
美国太空总处载人飞行科学及技术顾问会的主席及美国物理学
会的副会长,同时亦是多个学术组织的会员.
Nicolay
Gennadiyevich Basov
P.N. Lebedev Physical Institute
Moscow, USSR
巴索夫（Basov，Nikolay Gennadiyevich，1922~）
他提出建立不平衡量子系统的三能级方法，这种方法可放大
前苏联物理学家，因对量子电子学的研究，导致微波激
激发辐射。这个方法立即被广泛应用于无线电光波段的量子振
射器和激光器的发展，与普罗霍罗夫和美国的汤斯共获
荡器和放大器上。这些器件分别产生单色、平行、相干的微波
1964年诺贝尔物理学奖金。他生于前苏联的沃罗涅
束和光束。1958年，巴索夫又提出利用半导体制造激光器的可
日，毕业于莫斯科工程物理学院，获前苏联科学院列别
能性，后来在1960~1965年间，实现了p-n结、电子束和光泵
捷夫物理研究所博士学位。从1950年起一直在前苏联
激发各种类型的激光器。1968年，巴索夫还利用大功率激光器
科学院列别捷夫物理研究所工作。1954年他与普罗霍
产生了热核反应。
罗夫合作，制出一台氨分子束量子振荡器
Aleksandr
Mikhailovich
Prokhorov
P.N. Lebedev Physical Institute
Moscow, USSR
普罗霍罗夫(Prokhorov Aleksandr Mikhaylovich,1916)
澳大利亚-前苏联物理学家，因对量子电子学的基本研究导
致微波激射器和激光器的发展，获1964年诺贝尔物理学奖金。
他生于澳大利亚阿特顿，毕业于列宁格勒大学，获莫斯科列别
捷夫物理研究所博士学位，并任该所高级研究员。1953年和巴
索夫共同提出放大并发射同相位、同波长的平行电磁波的微波
激射器原理，并制成小巧的红宝石激光器，它发出的一束明亮
的红色光，其纯净、单色性、相干性和高强度都十分理想。
Amplification of light
Thermodynamic equilibrium
In an ensemble of atoms in equilibrium,
a lower lever E1is always more
populated than an upper level E2.
Population inversion
Non equilibrium situation where an
upper level E2 is more populated
than a lower level E1.
If a light beam with frequency ν passes through a
medium where populations are inverted, the new
photons which appear by induced emission are in a
greater number than the photons which disappear by
absorption.
 First, a beam of atomic hydrogen is
produced. This is done by submitting the
gas at low pressure to an RF discharge
 "state selection” —in order to get some
stimulated emission, it is necessary to create
a population inversion of the atoms.
This
donethrough
in a way
is very
After is
passing
an that
aperture
and asimilar
magnetic
to
themany
famous
experiment
.
field,
of theStern-Gerlach
atoms in the beam
are left in the
upper energy level of the lasing transition.
From this state, the atoms can decay to the lower
state and emit some microwave radiation.
 A high quality factor microwave cavity confines
the microwaves and reinjects them repeatedly into
the atom beam. The stimulated emission amplifies
the microwaves on each pass through the beam.
This combination of amplification and feedback
is what defines all oscillators.
Some common types of Masers serve as high
masers
precision frequency
 Atomic beam masers
references. These
Ammonia maser
"atomic frequency
Hydrogen maser
standards" are one
 Gas masers
form
of
atomic
clock.
Rubidium maser
They are also used as
Cesium maser
 Solid State masers electronic amplifiers in
radio telescopes.
Ruby maser
New light sources : lasers
Amplifying atomic
medium put between
two mirrors
Light can make several round trips between
the 2 mirrors and be amplified several times.
If the cavity is “tuned”, and if the gain is larger than the
losses, one gets an “oscillator” for light.
“Laser” source with completely new characteristics
as compared to usual thermal light sources
(intensity, directivity, coherence, monochromaticity…)
The Nobel Prize in Physics 1981
Nicolaas
Bloembergen
Harvard University
Cambridge, MA, USA
Arthur Leonard
Schawlow
Stanford University
Stanford, CA, USA
Kai M. Siegbahn
Uppsala University
Uppsala, Sweden
for their
contribution to
the development
of laser
spectroscopy
for his contribution
to the development
of high-resolution
electron spectroscopy
Nicolaas
Bloembergen
Harvard University
Cambridge, MA, USA
布洛姆伯根1920年3月11日出
生于荷兰。曾经在Dutch大学
学习，后来在莱顿大学获得博
士学位。1946年到美国，成为
美国公民，1949年任哈佛大学
高级研究员，后任正式教授。
布洛姆伯根是非线性光学理论的奠基人。他和他的同事在以下三个
方面为非线性光学奠定了理论基础：一、物质对光波场的非线性响应及
其描述方法；二、光波之间以及光波与物质激发之间相互作用的理论；
三、光通过界面时的非线性反射和折射的理论。
他把各种非线性光学效应应用于原子、分子和固体光谱学的研究，
逐渐形成了激光光谱学的一个新研究领域，即非线性光学的光谱学。在
非线性光学的研究中，他建立了许多非线性光学的光谱学方法。其中，
最重要的是“四波混频”法，利用三束相干光的相互作用在另一方向上
产生第四束光，从而得到无法从其它渠道得到的红外和紫外波段的激光。
利用这一方法，可以高精度地确定原子、分子和固体的能级结构。
此外，他提出了一个能够描述液体、半导体和金属等物质的许多非
线性光学现象的一般理论框架。布洛姆伯根对非线性光学的发展以及对
一系列非线性效应的发现，大大地扩展了激光波长的范围，使适用于光
谱学研究的激光波段从紫外区、可见光区一直覆盖到近、远红外区。
肖洛是研究微波激射器和激光器的
先驱之一。20世纪50年代中期，肖
洛与汤斯共同研究微波激射问题。
当汤斯提出受激辐射放大原理时，
肖洛第一个提出运用没有侧壁的开
放式法布里-珀罗腔作振荡器的设想。
1960年，他和汤斯研制出第一台激
光器。从此，激光成为探测原子和分子
特性的有效工具。20世纪70年代以后，
1978年，肖洛还用他自己发明的偏 他和他所领导的科研小组又致力于激光
光谱学的研究，利用非线性光学现象，
振光谱法研究氢原子光谱，精确测
首先创造出饱和吸收光谱、双光子光谱
得物理学基本常数——里德堡常数 等方法，为发展高分辨率激光光谱方法
为109737.3140.00032厘米-1。 做出了卓越的贡献。
饱和吸收光谱
当激光频率接近被测谱线时，由于泵浦光的饱和作用，
当泵浦光束和原子作用时，由于光束非常强，使
吸收系数将发生变化。调谐入射光束频率扫过被测跃迁频率
原子的吸收能力饱和，即把能够吸收光子的原子激发
时，光电检测器便测量出穿过样品池后调制的探测光强的变
到激发态，从而不能更多地吸收其它光子，即引起了
化，这样饱和吸收光谱就把那些对光束无多普勒频移的原子
原子布居数变化，因此探测光束在被样品吸收时也感
挑选出来，其光谱是无多普勒增宽的。经锁相放大器处理，
受了调制的作用。
输出无多普勒加宽的信号。
Kai M. Siegbahn
Uppsala University
Uppsala, Sweden
从20年代开始，科学家们就试图运用爱因斯坦的光电子理论，通过对光
电子的研究来获取物质内部的信息。然而，由于仪器分辨率一直不高，多
年来没有重大进展。
20世纪50年代中期，西格班和他的同事们将研究β射线能谱的双聚焦
能谱仪用于分析X射线光电子的能量分布，发明了具有高分辨率的光电子能
谱仪。他们研究了电子、光子和其他粒子轰击原子后发射出来的电子，并
系统地测量了各种化学元素的电子结合能。后来，他们又发展了用于化学
分析的电子能谱学，开创了一种新的分析方法，即所谓的X射线光电子能
谱学或化学分析电子能谱学。X射线光电子能谱学是化学上研究电子结构、
高分子结构和链结构的有力工具。西格班开创的光电子能谱学为探测物质
结构提供了非常精确的方法。
The Nobel Prize in Physics 1989
Norman F.
Ramsey
Harvard University
Cambridge, MA,
USA
Hans G.
Dehmelt
University of
Washington
Seattle, WA,
USA
Wolfgang Paul
for the invention of the
separated oscillatory
fields method and its use
in the hydrogen maser
and other atomic clocks
University of Bonn
Bonn, Federal
Republic of
Germany
for the development of the
ion trap technique
作为这一方法
的创始人和推动上
述研究的带头人，
德默尔特的贡献值
得倍加推崇。
德默尔特1922年9月9日出生于德国的哥利兹(Gorlitz).1940
用陷阱的方法研究微观粒子的特性具有重大的科学
德默尔特早在1949年就因受到核磁共振发现的激励,发
年中学毕业后,应召入伍.
1943年-1944年出于军事需要,被送往
价值.过去做的许多实验,都无法排除电子之间和电子与外
现了核四极共振.1958年开始研究用电磁场形成的陷阱把
布雷斯劳(Breslau)工业大学学习物理,后来又回到部队参加迫击
界之间的相互作用,因此人们对电子的知识都是统计性的.
电子或其它带电粒子存储在隔绝状态的实验方法.1984年,
炮团.1945年初被美军俘虏.次年释放后进(Universität
Göttingen)
离子陷阱实验方法第一次突破这一局限,把电子和其它粒
德梅尔特小组利用他设计的离子陷阱实验装置测量电子g
学习.1948年及1950年分别获学士学位和博士学位.
子单个存储在特定的区域里，长期与外界隔绝，这就为
因子精确到了十三位数字.
1950年-1952年做博士后.1955年到美国,1956年成为西雅图
人们进一步探索微观粒子的基本性质提供了崭新的手
华盛顿大学的助理教授,1961年升正教授,1978年当选为美国科
段，也为探索微观粒子的特性开辟了一条新途径.
学院士.
Paul1913年8月10日出生于德国萨克森州(Lorenzkirch).
父亲曾是慕尼黑大学药物化学教授,所以他小时候在慕尼黑受过
良好教育.他接受他父亲好友索末菲的建议,先当了精密机械工艺
的学徒.1932年秋,进入慕尼黑工业大学,两年后转到柏林工业大学
学习.1937年保罗转到基尔(Kiel)大学读博士学位.论文题目选的是
从超精细光谱测定钡的核矩.
1951年Paul设计了由六个磁极构成的聚焦磁场,可以使中
性分子聚集,对分子束研究极为有用.后来他又设计了一种射
频四极电场,能够把带电粒子囚禁在电场中,这一电场就相当
于一个捕捉粒子的陷阱.这项工作成为以后带电粒子存储技术
的先驱.
Norman F.
Ramsey
Harvard University
Cambridge, MA,
USA
1915年8月27日出生于美国
华盛顿特区.1935年哥伦比亚大
学毕业.随后到英国剑桥大学卡
文迪许实验室学习,后回到哥伦
比亚大学跟随拉比做博士论文.
1942年哥伦比亚大学任教,1947
年以后一直在哈佛大学任教.
在1950年提出分离振荡场方法,解决了原子钟设计里的关键问题,创制了
在导师拉比（I.I.Rabi）的指导下,拉姆齐1940年第一个对分子的旋
铯原子钟.分离振荡场方法不但为铯原子钟的建立奠定了基础,还使他们有
转磁矩进行了精确测量,并首次观测到这类磁矩随核的质量变化的关
可能测量许多不同分子的分子特性和磁特性，其中包括核自旋,核磁矩和电
系.第二次世界大战期间,拉姆齐领导了3cm波长雷达的试制小组,并
四极矩,分子旋转磁矩,自旋-旋转相互作用,分子中电子的分布等等.1960年
于1943年参加过曼哈顿计划.战后回到哥伦比亚大学,在拉比的领导
又提出并建造了原子氢微波激射器.也就是氢原子钟,使计时的不确定度下
下恢复分子束实验室,积极筹备布鲁克海文国家实验室,1946年拉姆
降到1×10-12.
齐成为该实验室的物理部第一届主任.
http://www.apscenttalks.org/pres_masterpage.cfm?nameID=173
Various Clocks
Mechanical
clock,1657.
Sundial, 1st or 2nd
century A.D.
Water clock &
Sandglass.
Atomic micro clock
Quartz Clock
Atomic hydrogen maser
clock, early 1960s.
Grandfather Clock
Watch 2002
A passion for precision
1350 第一座机械钟出现于德国
 1656 荷兰天文学家、数学家惠更斯提出了单摆原理并制做了
第一座自摆钟
 1762 最好的机械表3天才差1秒
 1928 沃伦.马里森(Bell Lab)利用石英晶体在电路中能够产生
频率稳定震动的特性,制造出了第一座石英钟 1/10000 s日误差
 1949 NIST使用氨分子作为磁振源制成了世界上首台原子钟
 2004 英国卫报报道,英国国家物理实验几千几万年相差1秒
采用
室的科学家发明出世界上最精确光钟.
1952 NIST制成了第一台铯原子钟,它被命名为NBS-1.
的是单锶离子,其精度是美国汞光钟的三倍,
1975 NBS-6 30万年的时间中,不会快1秒,也不会慢1秒
达10亿年每秒
 1999 NIST F-1 价值65万美元 2000万年内 不多不少一秒
 2001 NIST最新制造的光学原子钟采用汞离子(即失去一个
电子的汞原子). 它的振荡频率比当今最准确的原子钟、每秒钟

振荡90亿周的NIST-F1的高10万倍,准确1000倍
Convention clocks depend on
mechanical oscillators:
not steady---frequency drift
Atomic radiation oscillates steadily:
basis for high-prcision atomic clocks
Quartz oscillator whose frequency
is maintained at the centerν0
of an atomic resonance
The narrower the atomic resonance,
the better the accuracy of the clock
The widthΔν of the atomic resonance
is inversely proportional to the
observation time T
Ultracold atoms move slowly and
provide long observation times
GPS: apply atomic clock
for signal synchronization
原子钟 利用能量状态经过选择的原子,在微波谐振腔中进行量
子跃迁,从而获得相应能级间跃迁所发射或吸收的电磁波的固有
频率,根据这种原理制成的钟.其任务,只是提供秒这个时间单位
的精确计量.
从GPS卫星定位系统,到无线通讯和光纤数据传输技术,它们
的背后,都响着原子钟的“嘀哒”声.或许“最精确”是个一出
现就
立刻成为过去时的概念,或许它是一个永远都无法企及的将来时,
但无论如何,在从精确到更精确的现在时中,人类在进步.
Claude Cohen-
Tannoudji
William D. Phillips
National Institute
Stanford University
Collège de France;
of Standards and
Stanford, CA,for development
École Normale of methods
Technology
USA
Supérieure
Gaithersburg, MD,
to cool and trap atoms
with
USA
Paris, France
laser light
The Nobel Prize in
Physics 1997
Steven Chu
Why cold atoms?
solution
ideals
激光冷却与捕陷原
物理学是研究物质的基本结构与其运动规律及其相
troubles
在微观尺度上操纵原子分子使原子、分子的运动
子技术的发明使这一难
互作用的自然科学.要开展研究,就要把研究对象拿在
速度降至极小,使它们保持相对独立,很少相互作
手,进行仔细地观察和测量．
题基本解决
用,长久以来是物理学家的一个梦想.
根据分子运动理论,在常温
下,所有原子分子都在高速运
动着.以空气中的氢分子为例,
室温下均以1100m/s的速率运
动,即使降温到3K,它们仍在以
110 m/s的速率运动,这样高速
的粒子如过眼烟云,很难观察,
对其测量也必然带来严重误差.
在降温时,一般情况
下原子气会凝结成液
体和固体,这时原子间
有强烈的相互作用,其
结构和基本性能都
将发生显著变化.
Recoil of an atom absorbing a photon
hu / c
g
e
Mvrec = hu / c
Spontaneous emission of a photon
τR: Radiative lifetime of e,on
the order of 10-8s
On the average, the loss of momentum
in the spontaneous emission process is
equal to zero.
Mean velocity change δv in a fluorescence cycle
take sodium dv = hu = 6.62´ 10- 34 ´ 4´ 1014 = 2.3´ 10- 2 m / s
dv = vrec = hu / Mc
- 27
8
Mc
23
´
1.67
´
10
´
3
´
10
as an example
Mean number of cycles per second : W
W = 1/ t R » 108 s- 1
Mean acceleration of the atom
a =velocity change per second
=velocity change dv per fluorescence cycle
x number of cycles per second W
Huge radiation
pressure force!
= vrec ´ (1/ t R )
a = 10- 2 ´ 108 m / s 2 = 106 m / s 2 = 105 g
The forces exerted by laser beams on atoms allow one
-to reduce their mean velocity
Slowing down atoms
-to reduce the velocity spread around the mean value,
i.e. to reduce the disordered motion of the atoms
Cooling atoms
Laser Doppler Cooling
T.W. Hansch and A. L. Schawlow,
"Cooling of gases by laser radiation," Opt. Commun. 13,68-69 (1975).
two counterpropagating beams
(same frequency; L < 0) 0
force
L 0
częstość
L
For L<0, Doppler effect tunes atoms to resonance with
counterpropagating beams
less energy absorbed than reemitted
 decelerating force (cooling)
L
Net force:
force
k
-||/k
0 /k
k
vz
small velocities:
F  -v
„viscosity”  OPTICAL MOLASSES
zero force for v=0
cooling
How to trap cold atoms ?
B(x)
-

+
m=+1
m=0
ħL
x=0
m=–1
x
 position-dependent force:
F(x)  -x
atomic trap
I
I
F = - a v - kr
Trapping and cooling!
LIMIT
多普勒冷却理论是建立在二能级原子模型基础上的，但实际大
部分原子都存在多个超精细能级以及zeeman能级．其中的为
过程远比二能级系复杂。
主要考虑了光场的偏振、原子
Zeeman能级间的光泵浦效应
以及由交流Stark效应引起的
光频移等因素．
亚多普勒
冷却机制
偏振梯度冷却
磁感应冷却
Raman跃迁冷却
速度选择相干
布局俘获冷却
Applications of Cold Atoms
冷原子重要的科学意义与应用前景
 Atomic interferometry, Gyroscopes, Atomic
原子间的碰撞是原子能级的宽度增宽的主要因素.冷原子能
冷原子由于运动速度很慢,能级结构稳定,因此相比热原子
利用激光俘获需要的原子,再用激光将其输送到需要的地
冷原子最低温度可达到几个nk,平均速度可达到几个cm/s
可观测相干的物质波波长
Gradiometers
(
Manipulating
matter
waves
)
德布罗意波长约为10-7m量级,相干长度很长,能够宏观观测到相
级宽度远小于热原子,具有更精确的原子能级结构和更窄的跃
具有更为明确的量子态.更利于对它的量子态如外层电子自旋,
方,组合成新的分子或凝聚态物质.甚至可以利用激光俘获大生
精确的能级结构
干现象.碱金属原子被大量冷却到最低能态上从而产生BEC时,这
迁光谱,这对原子能级以及各种常数的精确测量具有重要意义.
原子磁矩等等进行控制.同时冷原子量子态的变化可以反过来
人类的基
物分子如DNA等,取代上面某些原子,从而改善动物或
High-precision Measurements
量子态操控
些最低能态原子会产生物质波干涉.
控制光信号,完成信息处理过程.
因,这将引起分子生物学上的一次重大革命.
 Calibration and Standard — Metrology
单原子的俘获及操控
 Navigation, Precise-guidance, Terrain Estimation
 Atom lithography and optical tweezers
 Bose-Einstein Condensation, Atomic clocks
 Atom lasers and Atomic Optics
 Optical Lattice
Milestons:
1962
1968
1970
1975
1978
1979
1985
1986
1987
1988
1989
1990
Askaliyan 提出除光压外，还有梯度力概念
Letokhov 提出用梯度力陷俘原子---光阱
Ashkin
光对中性原子和微粒的作用力
Hansch，Schalow
中性原子的激光冷却建议
Wineland, Dehmelt
离子的激光冷却建议
Wineland, Dehmelt
阱中离子激光冷却实验
Balykin
激光减速原子束实验
S. Chu
第一个Optical Molasses实验
Dalibard (提出了一种激光冷却和囚禁原子的新方案：磁光阱(MOT)
Pritchard+S.chu
实现第一个MOT,
Phillips
第一个打破多普勒极限
Cohen-Tannoudji 亚多普勒冷却理论解释,VSCPT
Wieman
在汽室中实现MOT
Eric Cornell
JILA, NIST,
Boulder,
Colorado,
USA
Wolfgang
Ketterle
MIT
Cambridge
Massachusetts,
USA
Carl Wieman
JILA, Univ. of
Colorado,
Boulder,Colorad
o, USA
The Nobel Prize
in Physics 2001
for the achievement
of Bose-Einstein
condensation in dilute
gases of alkali atoms,
and for early
fundamental studies
of the properties of
the condensates”
Eric Cornell
JILA, NIST,
Boulder,
Colorado,
USA
Born 1961 in Palo Alto, California.
Master of Science, Stanford University, 1985.
PhD in physics at MIT 1990.
Physicist at NIST, Boulder, since 1992.
Professor adjoint at Physics Department,
University of Colorado, Boulder, since 1995.
Wolfgang
Ketterle
MIT
Cambridge
Massachusetts,
USA
Born 1957 in Heidelberg, Germany.
Diplomphysiker, Technische Universität, München, 1982.
PhD in physics at Ludwig-Maximilians
Universität, München, and Max-Planck-Institut
für Quantenoptik, Garching, 1986.
MIT since 1990, Professor since 1997.
Carl Wieman
JILA, Univ. of
Colorado,
Boulder,Colorad
o, USA
Born 1951 in Corvallis, Oregon.
PhD at Stanford University, 1977.
Professor of physics, University of Colorado,
Boulder, since 1987.
The Godfather
Ramsey
(1989)
The Sons Chu
(1997)
Phillips
(1997)
Pritchard
The Grandsons
Wieman
Ketterle (23Na)
(87Rb)
Kleppner (1H)
Hulet
(7Li)
Cornell (87Rb)
Brief History of Bose-Einstein condensation
 Fermions and Bosons
Waves
The
spincontaining
quantum bosons:
number of a particle can be an
 light (photons)
integer
or a half-integer.
 sound
waves neutrons
(phonons)
 Single
protons,
and electrons have a
spin
of ½.waves
They are
called fermions.
 matter
(integer-spin
atoms)They cannot
appear
inatom
the same
 BECs,
lasersquantum state.
 Some atoms contain an even number of fermions.
They have a total spin of whole number. Photons
have an integer of spin number. They are called
bosons. Bosons show strong “social” behavior.

“Quantum
Mechanics is
different for
Bosons and
fermions”
Do you know
what else,
Bose?
…Bosons
condensate
• 1924: Bose将光子作为数量不守恒的粒子成功地导出了
Planck黑体辐射定律; Einstein 将其推广到全同粒子理想
气体。
• 1925年:Einstein在玻色理论工作的基础上大胆预言了
一种新的低温物质形态：气态玻色系统在某一临界温度以
下将有宏观数量的粒子共同占据量子力学的基态---BEC。
• 1938:Landau 提出液氦（4He）超流本质上是量子统
计现象，是BEC的反映, 并计算出临界温度 为 3.2K.
BEC 开始受到重视。
d
High Temperature T:
Thermal velocity v
v
d  hp  1
d << d
dB
T
“Billiard balls”
Low Temperature T
De Broglie wavelength
“Wave packets”
T=Tc:
“Bose-Einstein Condensation”
d ≧ d
“Matter wave overlap”
T=0:
Pure Bose Condensate
“Giant Matter Wave”
Phase density
np 》 1 !!
BEC and the Realization
At low enough temperatures and high enough densities,
the de Broglie wavelength of the atoms becomes larger
than the mean distance between atoms.
Identical bosons in a trap are then predicted to
condense in the ground state of the trap.
Macroscopic number of atoms in the same quantum state
Macroscopic matter waves
Combination of laser cooling and trapping by
previously developed methods for studying spinpolarized Hydrogen (magnetic trapping,
evaporative cooling) have led to the observation
of BEC in alkali gases.
The JILA group managed, in June 1995, for the
first time, to achieve a condensation limit in 87Rb.
In the
experiments,
Here
theJILA
medium
is cooledCarl
by Wieman
ensuringpointed
that the
a successful method: laser cooling of alkali atoms
fastest atoms leave the community.
in a magneto-optical atom trap and then continued
reduction
of speed
through evaporative
cooling,
The
average
temperature
among those
remaining
whichisisreduced.
a way of systematically getting rid of the
then
fastest atoms.
The atoms in the MOT are kept in place by magnetic
dipole forces.
The attractive force can be turned into a repelling
force if the atomic magnetic poles are reversed.
This can be achieved with a radio-frequency field.
The most rapid atoms move high up at the edge of
the potential well, where the magnetic field and hence
the conversion frequency for pole switching is high.
By initially applying a high frequency and then
gradually lowering it, it is possible to successively
skim off the hot atoms.
A final difficulty to overcome was to avoid atom loss
at the centre of the trap
By rotating a magnetic field sufficiently rapidly over
the sample, it was possible to prevent the atoms from
systematically pouring out of the trap. (Eric Cornell
used spherical quadrupole trap )
Initiate temperature 170 nK
After evaporative cooling
20nk
2000 atoms
Four months later, Ketterle
100 times
moreby
atoms
solved
the problem
focusing
at the
centre of
10 times
faster
the trap a powerful laser
beam (used Ioffe-Pritchard )
Contribution of
the condensed
atoms
Contribution of
the non
condensed
atoms

Narrow peak with a width corresponding to the
ground state wave function of the well

Broad pedestal coming from atoms occupying
excited states of the well described by wave
functions with a larger width
JILA
Science, 269, 198 (1995)
MIT
P.R.L. 75, 3969 (1995)
Further Development
Atom laser
This can be
considered asIt was shown that two
In Ketterle’s
experiments,
a primitive
"laser beam" allowed to expand into
separate
condensates,if
using
matter
instead
of clear
light. interference effects.
each
other,
exhibit
very
Indicating the coherence of matter waves and longrange correlation.
from
trap of atoms,
parts
of the
interference
between two
An Repeated
ensemblerelease
ofPattern
Bose-condensed
of a BEC of coherently,
sodium
atoms.
Pulses
of
overlapping
BEC
of sodium
atoms.
continuously,
directionally
coherent matter
fall in the gravitational
interferences
have a periodicity
propagating
or Matter-wave
transferring
in space
field – the phenomenon
can bewavelength>>
seen as
of 15 um. (Giant
0.05nm)
an atom laser effect of coherent matter.
recording
shows
that the atoms of the
An ordinary laserThe
yields
coherent
radiation,
The real size of the picture is
two condensates
were
fully coordinated.
an atom
laser
a
stream
of
coherent
matter.
2.5 mm X 5 mm.
Photon:
no mass, long wavelength,
broad bandwidth,
no interparticle interaction,
no gravity effect, easy control
E= 
Atom:
massive, short wavelength,
narrow bandwidth (cold atoms)
interparticle interaction,
gravity effect, but not easy control
E=mc
2
Quantum Vertices
tornados
V (r , t )   r (t )
nh
 vs (r, t ) dl  m
v s ( r , t )   ( r , t )
m
Quantum fluids
Constellation
ocean
vertices
vertices
Vertex
lattices influids
BEC
Classical
Natural Vertices
Optical Lattices
Optical lattice potentials formed by
superimposing two or three orthogonal
standing waves.
A one-dimensional optical lattice created from
For a 2D optical lattice , the atoms are
two counter-propagating identical laser beams
confined to an array of tightly confining 1D
whose cross sections overlap completely
potential tubes.
Importance of gaseous Bose Einstein condensates
Matter waves have very original properties
(superfluidity, coherence,…) which make them very
similar to other systems only found in condensed
matter (superfluid He, superconductors)
 The new feature is that these properties appear
here on very dilute systems, about 100000 times
more dilute than air. Atom-atom interactions have
then a much smaller effect which can be calculated
more precisely
 Furthermore, these interactions can be modified at
will, in magnitude and in sign (attraction or repulsion).

Examples of applications
atom optics (studying the optical properties of
atoms)
 atom lithography (fabricating extremely small
circuits)
 other measurements of fundamental standards
 hologram
 Fundamental understanding of quantum mechanics.
 Model of supernova explosion(超新星爆炸)
 Atomic clocks with ultracold atoms reaching a
relative frequency stability and an accuracy of a
few 10-16
 Quantum information using a Bose Einstein
condensate trapped in an optical lattice
 communications and computation

John L. Hall
University of
Colorado, JILA;
National Institute of
Standards and
Technology
Boulder, CO, USA
The Nobel Prize
in Physics 2005
Roy J.
Glauber
Theodor W. Hänsch
Max-Planck-Institut
für Quantenoptik
Garching, Germany;
Ludwig-MaximiliansUniversität
Munich, Germany
for their contributions to the
development of laser-based
precision spectroscopy,
including the optical frequency
comb technique
Harvard Univ.
Cambridge,
MA, USA
for his contribution
to the quantum
theory of optical
coherence

Roy J. Glauber
Born 1925 in New York, NY,
PhD in physics in 1949 from
Harvard University,
Cambridge, MA, USA.
Mallinckrodt Professor of
Physics at Harvard University.
John L. Hall,
born 1934 in Denver, CO,
PhD in physics in 1961 from
Carnegie Institute of
Technology, Pittsburgh, PA.
Senior Scientist at NIST
and Fellow, JILA, University
of Colorado, Boulder, CO.
Theodor W. Hänsch
born 1941 in Heidelberg, Ger
PhD in physics in 1969 from
University of Heidelberg. Director,
MPQ, Garching and Professor of
Physics at the LudwigMaximilians-Universität, Munich,
Germany.
Antiquity
- Pythagoras (-600):毕达哥拉斯
古老的故事
Light is something emitted by the eye
- Democrites (-400): 德谟克利特
Light is a print in the air due
to the eye and the object
- Euclides (-300):欧几里德
rays of light, emitted by the eye,
are straight lines.
gives laws of reflection on a mirror
-« Mohist » school in China (-400) 墨子
rectilinear propagation, laws of reflection
Middle Age and Renaissance
- Ibn-al-Haitam (Cairo 1000):
Light is something emitted by the object to the eye
Reflection of light is like a « ball at the end of an arrow »
-Kepler (Prague 1600) 德
Approximate law of refraction
After discovery of Galilee telescope:
Laws of lenses and image formation
17 Century
- Snell (1625),(荷兰) Descartes (1637),Fermat(1664) (法)
accurate law for refraction
geometrical optics well established
Grimaldi (1665) 意大利 首先观察到光的衍射现象
Discovery of diffraction at the edge of shadows
Römer (1675) 丹麦 第一次算出光速
Light propagates with a finite velocity
Huygens (1678) 荷兰
light is a kind of single wave of some
matter propagating in circles from the source ......
Explains linear propagation,
reflection and refraction by this conception
光是一种波！
Newton (1704)
Explanation of colours
Description of « Newton rings »
光是一些小微粒
At the end of his book, he lists a series of questions:
« rays of light are very small bodies
emitted from shining substances »
There exists a periodic effect in light which induces
alternatively « easy reflection » and « easy transmission »
Corpuscular(particle) concept triumphs in 18th century
Young and Fresnel
Young (~1800):
discovers interferences:
monochromatic light is a
sinusoidal wave:
« light plus light can give obscurity »
Fresnel (1814-20) :
Light is an oscillatory quantity
defined in all points of space:
mathematical theory of diffraction, interferences
光是一种波！
Faraday and Maxwell
Faraday (1840) introduces the concepts
of electric and magnetic fields « lines of forces »
existing in any point of space
Maxwell (1862) writes the laws of evolution
of these fields, finds electromagnetic waves
Light is an electromagnetic wave!
光确实是一种波！！
黑体辐射解释
光电效应解释
the Compton scattering of X-rays
……..
E=
w
P=
k
光确实是一个个粒子,Photon
Duality!
一束光本质是电磁波.光场可以想象为由许多光子组成,有
波峰有波谷,但由于光子的粒子性,这些由许多光子组成的光场
在其描述波峰与波谷特性的振幅与位相上有量子起伏.
“相干”就意味着构成光场的光子各自的波长,振幅与相位
都
比较一致——光场的量子起伏比较小.
烛光的光场的量子
起伏较大 “混沌”
态.
激光
相干光
1963年格劳伯应用量子理论解释了一些光学现象,他在《物理评论通信》和《物
理评论》等杂志上发表了几篇相关论文,创造性地提出了“光子的相干性量子理
论”,成功地描述了光量子的运动规律,揭示了光量子的特性,以及大量光量子如
何互相影响他们之间的运行方式,产生“干涉”现象等等.格劳伯的这些论文,奠
定了量子光学学科的理论基础.
量子光学是研究光场的量子统计特性和光场与物质
相互作用的学科.
传统光学以干涉现象作为光场相干性的物理基础.实质是描
1956年HBT (Hanbury - Brown- Twists)实验
述光场相位起伏的程度.
相关器测量到的是两个不同时空点光
场强度起伏的关联,不再是过去的相干实
验中所测的光场强度自身的相位关联.

首次证实了光场存在有高阶相关效应
g (2) ( )  1
这是过去任何经典干涉与衍射实验所没能观
 给相干性带来了全新的概念
察
到的. 就相干光的频率而言,光场的强度起伏关联
根据经典理论,传统光场的随机性只用一个一阶相关函数描述就

量子电磁场意义下的相干态光场，并不是无噪声的光场
是一个缓慢变化的量,它的测量值受到外界的扰
够
动
了,这就是一阶相干度为1时,即对应完全相干性情况.然而,HBT实验测
它们包含了真空起伏的量子涨落,因而具有经典体系所不
要比测量相位关联微弱得多.
具
出的光场起伏却表明,上述相干性的描述并不完备,还必须补充二阶或
有的统计性质.这种光场的量子性又导致人们对压缩态的研究.
更高阶的相关函数.只有当一阶、二阶或更高阶的相干度均为1时，
才
能称为完全相干光.
量子光学中,相干性的量子理论引导出“相干态”的诞生.描
述
一个物理上真实的光场量子态.
Quantum Field Theory –for bosons
Field oscillation modes ↔ harmonic oscillators
相
For harmonic oscillator:
干 nñ= n n - 1ñ
a
a
lowers excitation
态
a† nñ= n + 1 n + 1ñ
raises excitation
†
aa - a
commutation relationship
Coherent States:
a a ñ= a a ñ
a ñ= ea a
+
*
- a a
-
0 =e
2
¥
å
n= 0
2n
a
P(n)=
e
n!
1
a
2
a
2
†
a= 1
an
n a = any complex number
n!
2
(ánñ= a )
Poisson distribution
烛光与激光
哪里不同？
用颜色, 能量, 准直性…
不能区别烛光与激光
r 烛光 =
å
n
(n ) n
n n
n+ 1
(1 + n )
激光
烛光
状态不同
<n>=2
r 激光 = e
( a a+ - a *a )
0 0 e
( a * a- a a
最简单的状态: 真空态(vacuum state)
真空
Absolutely Nothing
任何光场包括激光场,都有能量的起伏(散
弹噪声),这种起伏的本质由于光子的数目
在真空中有起伏引起的,是一种量子特性,
它使光子组成的光场的各种特征量(振幅,
相位)都会产生起伏,这种起伏会对光场的
测量造成一定的限制.
真的是空的吗？
20世纪90年代,科学家研究出一种“非经典光
场”,
其相位噪声或振幅噪声低于通常由真空引起的噪声,称
为“压缩态光场”.
压缩光是非经典光,它的量子特性对于揭示场的物理本质有着
重要的价值.压缩态光场又是通过非线性过程由相干光场产生的,
对它的研究又使量子光学与非线性光学得到了交叉.
同时,由于压缩光具有比一般标准量子噪音低的起伏,可
以大幅度地提高信噪比,可望能在对像引力波这样的微弱信
号检测、光通信及原子、分子物理学等方面得到特殊的应
用.因此,光压缩态研究已成为目前光学领域中重要的基础研
究与前沿课题之一.
早期量子理论着重研究单个光子的量子特性.激光出现后,
光场的简并度可以达到很高.在光与原子相互作用的过程,特别
是非线性过程中,出现某些新的量子效应,例如光子反聚束效应,
亚泊松分布和压缩态等,它们完全没有经典对应物,纯属于光的
量子现象,即光场的非经典效应.
真空态
热态（烛光）
形形色色的量子态
0
rT =
å
n
(n ) n
n n
n+ 1
(1 + n )
所有状态都可以从真空中
(a a - a a )
相干态（激光） a = e
产生出来0
+
*
Classical World
Squeezed
vacuum state
x = e
( x a+ 2 - x*a 2 ) / 2
“天下万物生于有，
ρ = (1 - λ )å ( - λ)
n,n
有生于无”
2
EPR state
Fock state
Non-Classical World
0
n+ n'
EPR
12
n',n'
n,n'
+ 《老子》第
40章
(a—
)n
n =
0
n!
Quantum State Engineering(量子态工程)
格劳伯科学思想的意义在于第一次创造性提出了用量
子本性解释光宏观现象,这种思想不但给出了光的一切宏观
现象的量子本质,并且对光的量子本性也是一个最好的证明.
量子光学的研究,推动了人们对于大量光子的非经典
特性的研究和光子本质的深刻认识,也孕育了新的研究方
向,如压缩态,纠缠态,量子计算,量子通信等.
激光的出现,使量子光学研究从理论预言进入了一个
全新的时代:物理实现.量子光学学科的基本思想也从利
用量子力学原理解释光的特性和揭示光与原子相互作用
的量子现象,逐步过渡到了利用激光这样高亮度,高相干
高单色性和方向性的光源进行各种物理实验.
光速的测量(17th century)
 1969年,Hall小组研制CH
L
飞行时间测量法(测量光在真空中的群
4稳频的He-Ne 稳频激光器,波长3.39um
c=
 NIST,
T Evenson将其频率通过光频率链的方法和铯束频标的标
速, 空间距离长,n变化,偶然误差很大)- 10
准频率比较,测得其频率为 88.376181627(50)THz ( du / u = ± 5.6´ 10 )
 cHall精确测定其波长值
= l f 测量振荡器产生的电磁波在真空中的
l = 3.392231376(12)um (dl / l = ± 3.5´ 10- 9l)
-9
得到光速值为
(
d
c
/
c
=
±
3.6
´
10
)
c
=
299792456.2(1.1
m
/
s
)
和 f (测量光的相速)
1973年第五次米定义咨询委员会会议讨论,推荐CH4谱线和估
- 9
- 12
计精度为± 4´ 10 的真空波长值为3392231.40´ 10 m 以及频
率值(88376181627 ± 50)kHz ,推荐光速值 c = 299792458m / s
The Metre is the length of the path travelled by light
(in vacuum) in 1/299 792 458 of a second (1983)

光速值由测量值变为定义值，精确地测
量频率就可测出波长—光速的精密测量引起
了长度计量的重大革命
1875 巴黎计量局的米原器
(实物基准)
1960 11届国际计量大会定义米为氪(Kr)86原子橙黄色光波长
1650763.73倍
(自然基准)
1973 精密测量稳频激光器的频率
测量长度
长度的精度
测量激光频率
激光频率的精度
可见光波段 400-730nm,对应频率范围 6´ 10 - 4´ 10 Hz
目前最高精度的频率标准为Cs原子钟频率标准,其准确度为 5´
基准频率为Cs原子基态共振频率9.192631772GHz
14
6´ 1014 - 4´ 1014 Hz
» 50000
9192631770 Hz
14
10- 16
Seemed
impossible
Possible solution？—optical frequency chain
光频链—通过非线性变换(倍频)等手段,将 光学频率变
换到微波频率，由此测定光学频率标准的准确频率值.
一条光频链需要十几个不同频率的稳频激光器组成,设备庞大,不便搬运,
操作及其复杂.
 一条光频链只能测量一个激光频率—”点频测量”,极低的非线性效率.
 多次转化所形成的积累误差，决定了用其测量光频的复杂性和不确定性.

实现光学频率的连续测量—飞秒激光光束技术
利用脉冲激光进行激光频率的精密测量思想的提出：

Eckstein J N, Ferguson A I, Hansch T W. P. R. L, 1978,40,847

Baklanov Ye V, Chebotayev V P.
App. Phys. A,1977, 12, 97
光学频率梳简介
时域内等间距的脉冲激光
频域内等间距的频率梳
脉冲间隔t = L / vg
频率间隔D =1/t
腔长L的谐振腔,增益线宽内存在大量等间隔的
纵模,相邻纵模频率间隔 D =F=c/2L
一般情况下,初始脉冲的频率不在零频处(光脉冲在腔内传
偏置频率
d 和频率间隔 D 的稳定是激光梳状发生器成功的关键
播时 vg ¹ v p ).光在腔内来回一次,载波与包络之间会产生一个
相对相移 D F ,在频率域相当于整体纵模移动了 d 的频率(offset
frequency,偏置频率)
DF DF
d=
=
f
2pt
2p rep
超短激光脉冲的宽度越窄,其对应的光谱也就越宽,存在的纵模
数也就越多.ps激光的频率带宽极其有限,很难测量到偏置频率.
90年代fs激光的出现,使得同时控制重复频率与偏置频
率成为可能.Hansh小组与Hall小组合作,利用锁相技术将飞
秒激光的重复频率锁定,并利用光子光纤将飞秒激光的带宽
由700-900nm扩展到500-1200nm,利用自倍频的方法,实现
了偏置频率的锁定.
重复频率 f r和偏置频率d 都在射频段(10-100MHz),只要用Cs
原子钟就可直接锁定二者.激光纵模一经锁定后，其将保持固
定的位置,相当于频率间隔相等的梳子,因而称之为频率梳.
第n级光梳频率f n = d + nf r 的精度就可以和Cs原子钟的精
度一样,达到10- 15 的不确定度. 如要测量任意未知光学频率 f x ,
只要测量出其与邻近光梳频率 f n 的差D f , 则未知频率
f x = d + nf r + D f 也具有10- 15 的精度.
飞秒激光光学梳状发生器频率覆盖400-1200nm,它能精
确测定激光的任意频率.而且体积小,结构简单,可以很方便地
测定激光的任意频率.
此技术对于精密测量技术是一场革命.在原子结构与物理常
数的精密测量发挥着极为重要的作用,特别是氢原子结构参数的
测量——目前所有原子结构参数测量中最为精密的一种.
氢原子
1s - 2s的跃迁频率：
1987
双光子光谱
直接测量H原子1S-2S跃迁频率:
3
f1s- 2s = 2466061413.8(1.5)
MHz me 1110位有效数字
3
28
a
u H (1s1/ 2 - 2s1/ 2 ) = R¥ c[1+
a2a ln a - 2 + ...]
1992 原子束与CH44光频标m p 测量精度提高了18倍
48
9 p
f1s- 2 s =2 466 061 413.182(45) MHz R¥ = 109 737.315 684 1(42)cm -1
1997 原子束与高精度CH4光频标加双光子跃迁 13位有效数字
f1s- 2 s = 2 466 061 413 187.34(84)kHz
2000 飞秒光学梳状发生器
f1s- 2 s = 2 466 061 413 187 103(46) Hz
L(1s) = 8172.876(29)kHz
R¥ = 10 973 731.568 639(91) m-1
14位有效数字
R¥ = 109737.31568639(91)cm -1
a = 137.0359924(41)
光频梳的发明,使得人们第一次能够用微波频标
直接测量光学频标,并进而为发展更高精度的下一代
光钟,实现用光学频标标定微波频标提供了可能.
激光精密测量技术
为验证基本物理常数,检验广义相对论与狭义相
对论,测量脉冲星,原子与分子精密光谱测量等基础研
究提供新的方法与技术
为应用领域如,时间与频率计量,长距离时钟同步,
甚长基线干涉测量,高精度GPS,遥远星空跟踪与探
测,通信导航地球旋转的监测等提供性的技术.
There is no royal road to science, and only
those who do not dread the fatiguing climb
of its steep paths have a chance of gaining
its luminous summits. ——Karl Marx
在科学上没有平坦大道，只
有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的
人，才有希望达到光辉的顶点。
Summary (William Blake)
a
in
wild
flower,
And
eternity
in
an
Hold
infinity
in thein
palm
ofhour.
your
ToAnd
see
aheaven
world
aa grain
of hand,
sand,
一花一天堂，
掌中握无限，
刹那即永恒。
一沙一世界，