Sistema de arrefecimento a laser

Abstract

O campo do arrefecimento a laser é relativamente recente, mas a sua área de ação é extremamente ampla, abrangendo áreas tão distintas como a pesquisa científica aos sistemas de supercondutividade. O seu princípio de funcionamento partindo de uma aproximação macroscópica surge como sendo relativamente simples, a ideia de utilizar um feixe electromagnético proveniente de um laser para incidir num átomo para desta forma criar uma força contrária a sua velocidade de modo a abranda-lo e consequentemente arrefece-lo é bastante simples de entender. Porém todo este processo é conseguido através da junção de conhecimentos interligados oriundos de diversas áreas, começando na Mecânica Quântica, passando pela electrónica até à óptica, entre outras. Em termos de arrefecimento, este tipo de processo é muito eficiente em termos de temperatura alcançável, mas é preciso complementa-lo com outros para se poder atingir temperaturas extremamente baixas (na ordem de grandeza dos nano-kelvins) durante um período de tempo razoável. O presente documento surge como sendo uma aproximação completa a todo o processo de arrefecimento a laser, fazendo uma abordagem a todos os elementos constituintes que interagem de forma direta ou indiretamente com o mesmo. O principal objectivo deste trabalho foi de fornecer todo o conhecimento de base necessário para a projeção e posterior construção de um sistema de arrefecimento a laser de baixo custo, para futura exploração pelo Departamento de Electrónica Industrial (DEI) da Universidade do Minho.

Laser cooling is relatively recent, but it is an extremely broad field, covering areas as different as scientific research to superconductivity systems. The principle behind laser cooling from a macroscopic approach appears to be relatively simple, the idea consist in using an electromagnetic beam from a laser focused on an atom, in order to create an opposite force to its velocity so it slows down and consequently cools down. It is quite simple to understand. However, this process is achieved by combining knowledge from different interconnected fields, starting in Quantum Mechanics, through optical electronics, among others. In terms of cooling, this type of process is very efficient in terms of achievable temperature, but it is necessary to complement it with other techniques, in order to achieve extremely low temperatures (in order of nano-Kelvin) over a reasonable period of time. This document provides detailed, objective and complete information about the entire process of laser cooling, making an approach to all components that interact either directly or indirectly with this process. The main objective of this study is to provide all the basic knowledge for designing and subsequent construction of a low cost laser cooling system for future use by the Department of Industrial Electronics of the University of Minho.