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多普勒效应产生的原理与广泛应用

时间:2019-01-30 来源:物理实验 作者:毕志毅 本文字数:8340字

  摘    要: 从多普勒效应的发现谈起, 介绍了多普勒效应产生的原理, 叙述了其在雷达、超声检测、天体物理、光谱学及激光冷却等领域的应用价值和科学意义, 同时也简要介绍了华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室的相关研究方向.

  关键词: 多普勒效应; 精密光谱; 激光冷却;

  Abstract: From the discovery of the Doppler effect, the principle of Doppler effect was introduced, and its application value and scientific significance in the fields of radar, ultrasonic testing, astrophysics, spectroscopy and laser cooling were also described.At the same time, the research direction of the State Key Laboratory of Precision Spectroscopy of East China Normal University was also introduced.

  Keyword: Doppler effect; precision spectrum; laser cooling;

  物理学是研究物质运动一般规律和物质基本结构的学科.作为自然科学的带头学科, 物理学研究大至宇宙、小至基本粒子等一切物质最基本的运动形式和规律, 因此成为其他自然科学学科的研究基础.物理学也是当今最精密的一门自然科学学科, 其理论结构运用了数学知识, 并以实验结果作为检验理论正确性的标准.物理学又是一种智能科学, 着名物理学家玻恩曾说过:“与其说是因为我发表的工作里包含了一个自然现象的发现, 倒不如说是因为那里包含了一个关于自然现象的科学思想方法基础”.物理学之所以被人们公认为一门重要的学科, 不仅在于它深刻揭示了物质世界的客观规律, 还因为它在学科发展的过程中形成了一整套独特而卓有成效的科学思想方法体系, 物理学当之无愧地被视为人类智能的结晶、文明的瑰宝.在人类社会发展的漫长进程中, 物理学所取得的成果极大地丰富了人们对物质世界的认识, 有力地促进了人类文明的进步, 并将继续在认识物质世界客观规律、造福人类社会、实现可持续发展的进程中发挥关键性的作用.前辈科学家的探索求知精神、创新思维方法、丰硕研究成果及科学价值观念, 将激励我们在科学求真的道路上不断努力.本文从多普勒效应的发现谈起, 主要叙述其应用价值和科学意义, 同时也简单介绍了华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室的相关研究方向.

  1 多普勒效应的发现

  多普勒效应是关于波源和观察者存在相对运动时, 观察者接收到波的频率与波源发出的频率不相同的现象, 这一现象是由奥地利物理学家、数学家和天文学家多普勒 (Christian Johann Doppler) 于1842年偶然发现的.当时他正路过铁路交叉处, 恰逢一列火车从他身旁飞驰而过, 他发现当火车由远而近时汽笛声调变尖, 而当火车由近而远时汽笛声调变低.他对该现象进行了研究, 发现当声源相对于观测者存在运动时, 观测者所听到的声音会发生变化:当声源远离观测者时, 声波的波长增加, 音调变得低沉;当声源接近观测者时, 声波的波长减小, 音调变高.当观察者相对波源移动时也能得到同样的结论.音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比值有关, 后人把该物理效应称为“多普勒效应”, 由多普勒效应所形成的频率变化叫做多普勒频移, 它与相对速度成正比.

  多普勒当时的研究范围包括了光学、电磁学和天文学, 他设计和改良了很多实验仪器, 为后来的科学新发现提供了有价值的线索.而在多普勒效应发现之后的100多年间, 物理学的研究成果已成为现代技术革命的先导, 后人采用该物理效应在许多重要科学与技术研发领域取得创新成果, 并造福于人类社会.

多普勒效应产生的原理与广泛应用

  2 多普勒效应产生的原理

  由波源发出的波在介质中传输时, 每完成1次全振动, 向外发出1个波长的波.频率为单位时间内完成的全振动的次数, 因此波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数.而观察者听到的声音的音调, 是由观察者接收到的频率, 即单位时间接收到的完全波的个数决定的.当波源和观察者有相对运动时, 观察者接收到的频率会改变.在单位时间内, 观察者接收到的完全波的个数增多, 即接收到的频率增大.同理, 当观察者远离波源, 观察者在单位时间内接收到的完全波个数减少, 即接收到的频率减小.观察者观察到的频率f′和发射源原始发射频率f的关系为

  其中, v为波在该介质中的行进速度;v0为观察者的运动速度, 若接近发射源, 则式 (1) 分子运算符号为“+”号, 反之则为“-”号;vs为发射源移动速度, 若接近观察者, 则式 (1) 分母运算符号为“-”号, 反之则为“+”号.

  3 多普勒效应在各领域中的应用

  3.1 多普勒效应在雷达中的应用

  多普勒效应的早期应用主要是基于波源与观察者间的相对运动导致的频移实现对目标运动状态的测量.雷达的发明始于20世纪前期, 它根据目标物体对电磁波的反射来测定目标的空间位置, 雷达技术在第二次世界大战中获得发展, 投入作战使用并发挥了重要作用.由于雷达探测是基于波的传播, 对运动物体具有多普勒效应, 雷达可根据自身和目标之间有相对运动产生的多普勒效应测量物体运动速度.50年代应用多普勒频移探测技术后, 现代雷达探测可以通过回波时间及多普勒频移获得目标的空间位置及运动速度等信息.在道路交通管理系统中, 测速雷达向行进中的车辆发射频率已知的超声波或激光, 同时测量反射波的频率, 根据反射波的频率变化就能知道车辆的速度.由于多普勒频移与速度是线性关系, 因此基于多普勒效应的测量技术具有很高的测量精度并获得广泛的应用.在科学技术高度发展的今天, 雷达已广泛应用于社会经济发展 (如气象预报、资源探测、环境监测等) 及科学研究 (天体研究、大气物理、电离层结构研究等) 领域.星载和机载合成孔径雷达已经成为当今遥感中十分重要的传感器.以地面为目标的雷达可以探测地面的精确形状.其空间分辨率可达几m到几十m, 且与距离无关.雷达在气象预报、海冰监测、森林资源清查、地质调查等方面也展显出了很好的应用潜力.目前正在发展中的自动驾驶汽车综合依靠人工智能、视觉计算、雷达监控装置和全球定位系统协同合作, 其中多普勒雷达系统通过持续实时感测提供周围道路交通状况及车辆间距离等信息, 实现在无人主动操作条件下自动安全地操控车辆安全行驶.

  3.2 多普勒效应在超声检测中的应用

  超声波检测属于无损检测, 是在不损坏被检测对象前提下对被测对象的表面和内部结构进行观测的一种检测手段, 可为工业质检及现代医学诊断提供重要的信息.早期的医学超声波检测根据人体组织对超声波的反射与吸收得到人体组织结构二维图像, 实现了非创伤无痛检测.由于人体血管内的血液是流动的液体, 超声波振源与相对运动的血液间就会产生多普勒效应, 使回声的频率发生改变 (即频移) , 将多普勒效应引入超声波医学诊断后, 多普勒超声检测既可以提供二维超声结构图像, 同时又提供了血流动力学的信息, 对诸如心血管、肝、脑等人体重要组织器官的功能与疾病诊断提供了重要的信息.

  3.3 多普勒效应在天体物理学中的应用

  现代天文学家对天体的观察研究已不再局限于传统的光学天文望远镜, 而是发展到凭借射电望远镜、星载望远镜等来观测遥远星体发射的光谱及其频率变化, 依此计算星体与地球的相对运动速度, 研究宇宙的起源与发展.美国天文学家哈勃 (Edwin Powell Hubble) 所发现的天体红移现象就是基于多普勒效应.哈勃发现远离银河系的天体发射的光线频率变低, 即移向光谱的红端, 基于多普勒效应及光谱的红移现象, 表明这些天体在远离银河系, 若天体离开银河系的速度越快则红移越大, 他由此得出宇宙正在膨胀的结论.现在通过哈勃太空望远镜证明了宇宙不仅在膨胀而且在加速膨胀.最近几年, 发现从宇宙膨胀的加速度可以推算出已知物质的能量与暗能量的比值, 暗能量可能在宇宙中占据了重要的位置, 爱因斯坦是最早提出此观念的.因为暗能量, 宇宙之外可能有很多的宇宙.了解暗物质和暗能量是21世纪科学史的一大挑战.

  3.4 多普勒效应在光谱学中的“应用”

  物理学的许多研究成果具有重要的科学意义, 极大地提高了人类探索自然规律的能力.在多普勒效应发现之后的100多年间, 人们认识到这一理论不仅适用于声学和光学, 在电磁波等研究领域也有广泛的用途.当今, 物理学已从经典发展到了量子范畴, 与物理学相关的学科及应用技术的发展也取得了前所未有的成果, 其中不少都基于多普勒效应基本原理, 有趣的是, 根据研究对象与目的不同, 其中有些是要利用多普勒效应 (如天体物理学) , 而另一些是需要克服多普勒效应产生的不利影响 (如光谱学) .

  光谱学是通过光与物质相互作用过程研究物质结构与特性的学科, 看似复杂无序的光谱线, 其实具有内在规律与特征, 对应原子能级结构与跃迁规律.对物理世界的永无止境的探索及应用需求是推动光谱学发展的主要动力.自20世纪60年代激光发明以来, 由于激光具有的高相干性等特点, 由新光源而引发的光谱学新原理、新技术并导致一系列新发现, 在光谱学研究产生了深刻的革命.光谱学家一直在探索实现高分辨率、高灵敏度、高精度激光光谱的方法, 这对于研究光与物质相互作用机理和提高探索自然规律的能力具有重要意义.提高光谱分辨率可以将原先在谱线宽度内淹没的光谱细节揭示出来.回顾历史, 通过提高光谱分辨率, 科学家观测到由电子自旋导致的原子光谱精细结构, 由核自旋导致的原子光谱超精细结构, 由外磁场作用产生的塞曼能级分裂及由外电场作用产生的斯塔克能级分裂, 由量子电动力学效应导致的拉姆位移, 由此揭示了物质内部新的结构与现象.物理学研究中许多进展与新的成果都得益于前所未有的测量精度, 这在原子光谱研究中尤其如此.

  在高光谱分辨率的研究中, 科学家们认识到由于原子/分子存在的热运动速度, 当它们与光 (视作多普勒效应中的波源) 相互作用时, 不同运动速度的原子/分子 (视作多普勒效应中的观察者) 感受到光的频率/波长不同, 使超出能级跃迁频率范围的原子/分子也会由于多普勒频移满足光谱吸收与跃迁条件而产生光谱信号, 导致光谱线变宽, 分辨率降低.即使对于具有高度相干性的激光光源而言, 多普勒效应依然是限制高分辨率光谱的主要因素, 寻求从物理原理及技术上克服由此产生的光谱线多普勒加宽并实现高分辨率光谱检测, 是当时光谱研究者丞待解决的问题与探索的方向.

  美国激光光谱学家阿瑟·肖洛 (Arthur Schawlow) 于20世纪60年代在斯坦福大学建立了激光光谱学研究中心, 主要致力于高分辨激光光谱的研究, 并于70年代为高分辨率激光光谱方法做出了重大贡献, 1976年, 他创立了高分辨激光光谱学学科.为此, 美国光学学会授予他该学会的最高荣誉———弗雷达里克·艾伍兹勋章, 以表彰他在激光研究方面的杰出贡献.他针对原子光谱中由于原子热运动产生的多普勒增宽现象, 利用激光具有极高的单色性等特点, 提出了多种创新的、基于不同机理的光谱学检测方法, 例如饱和吸收光谱、双光子光谱、偏振光谱等, 使原子光谱中许多原先被掩盖的细节得以展现, 有效地克服了多普勒增宽.

  1978年, 肖洛领导的研究小组用他自己发明的偏振光谱法测量氢光谱, 得到了里德堡常量.这种方法解决了光谱测量中因原子热运动而引起的多普勒加宽问题, 有效地提高了仪器的分辨率.1981年, 肖洛等人因对高分辨率激光光谱学做出的重大贡献获得诺贝尔物理学奖[1].当有人问他取得一个又一个巨大成就的“奥秘”时, 他笑了笑说:“决不重复自己做过的工作, 决不重复别人做过的工作.”

  饱和吸收光谱方法是一系列激光光谱方法中最早提出的方法之一, 其巧妙之处是使2束激光 (较强的饱和光束和较弱的探测光束) 同时选择性地只与纵向速度为零的原子发生作用, 有效地解决了多普勒效应引起的谱线增宽问题[2].饱和吸收光谱法的原理见图1.激光光束经半透射镜片分为较强的饱和光束和较弱的探测光束, 以相反的方向通过气体样品池.用斩波器调制饱和光束, 当饱和光束和原子作用时, 由于光束非常强, 使原子的吸收能力饱和, 即把能够吸收光子的原子激发到激发态, 从而不能更多地吸收其他光子 (即在这一位置产生“烧孔”而形成凹陷) , 这时另一路光束 (探测光束) 通过气体样品探测到饱和光烧孔形成的凹陷并到达探测器.这里有一个条件:2束光必须是和同一群原子发生相互作用时才会出现以上情况, 而只有那些轴向速度分量为零的原子才能有贡献, 因为这些原子对于相向而行的2束光均没有多普勒频移, 即这些原子能吸收的光子的频率就是激光本身的频率, 而有一定速度的原子由于对于相向而行的2束光的多普勒频移不同, 因此无法同时和相向而行的2束光作用, 导致探测光无法探测到饱和光烧孔形成的凹陷.由于饱和光束是经过调制的, 所以在调谐激光波长时, 通过锁定放大器接收到相应的光谱.这样饱和吸收光谱就把对光束无多普勒频移的原子挑选出来, 其光谱无多普勒增宽, 图2是用饱和吸收光谱法测出的氢光谱线, 其分辨率较多普勒增宽光谱的分辨率提高3个数量级.

  图1 饱和吸收光谱原理图
图1 饱和吸收光谱原理图

  图2 用饱和吸收光谱法测出的氢谱线Hα
图2 用饱和吸收光谱法测出的氢谱线Hα

  另一种无多普勒光谱学方法是双光子吸收光谱[2], 它基于原子从来自2个反向传输的光束中各吸收1个频率相同的光子并实现能级跃迁, 由于原子与2个等频反向光子作用产生的多普勒频移相加为零, 即任何速度的粒子均将在吸收等频反向双光子时对无多普勒增宽谱线作贡献, 有效地消除了多普勒效应引起的谱线增宽.这里体现了实验设计中的补偿法, 在基础物理实验中类似的有不等臂天平的物体与砝码的交换和电桥中比例臂的交换.

  3.5 多普勒效应在激光冷却与囚禁中的应用

  随着现代科学与技术的发展, 多普勒效应体现的科学价值并没有消失, 在21世纪的今天仍具有重要的科学意义与应用价值.20世纪末发展起来的激光冷却与囚禁为研究原子分子相互作用机理及开展精密光谱的应用研究提供了更好的方法.根据物理学基本原理, 原子/分子的热运动速度与其温度相对应, 常温下原子的热运动速度可达4 000km/h, 在-270℃时约为400km/h, 即使在如此低温条件下, 原子间热运动引起的碰撞作用相当于缩短了激发态的平均寿命, 从而使能级进一步加宽, 这对赫兹量级超窄光谱线的增宽会产生显着作用.

  早在20世纪初, 人们就注意到光对原子有辐射压力 (又叫散射力) 作用, 只是在激光器发明之后, 才具备了研究用激光操控原子的必要条件, 发展了利用光压改变原子速度并实现激光冷却的技术.1975年, 斯坦福大学汉斯 (T.W.Hnsch) 和肖洛等科学家对中性原子和束缚在电磁阱中的离子提出了激光冷却的方案[3], 利用激光和原子的相互作用减速原子运动以获得超低温的原子.原子束激光减速是利用辐射场散射力操控原子运动的简单实例, 其原理是利用负失谐的激光束从与原子束行进反向的方向照射原子束, 光对原子的共振散射力使原子不断降低速度, 如果在x, y, z方向分别加由2束光组成的驻波光场, 则在6束激光交汇处的原子会受到三维阻尼力的作用, 在3个方向上得到减速, 使其动能降低, 从而实现冷却.然而看似简单的方法在具体实现上却还需要解决许多问题, 人们真正有效观察原子束的激光冷却是在提出激光冷却概念以后十几年.

  研究激光冷却涉及到多个物理学原理[4], 概括起来主要有光的多普勒效应、原子能级量子化、光具有动量等, 而其中多普勒效应的作用又成为基本的研究内容, 由于运动中的原子感受的激光频率不同, 且多普勒频移随速度而变化, 为了满足光对原子的共振散射力使原子不断降低速度, 需要在原子减速过程中连续补偿多普勒频移以维持有效减速.科学家们发现, 当原子在频率略低于原子跃迁能级差且相向传播的1对激光束中运动时, 由于多普勒效应, 原子倾向于吸收与原子运动方向相反的光子 (因为这种光子对原子来讲其频率要比光子的实际频率稍高, 正好匹配原子跃迁能级差) , 而对与其相同方向行进的光子吸收概率较小;吸收后的光子将各向同性地自发辐射, 根据动量守恒, 原子净吸收与它反向运动的光子, 于是总动量下降了, 也就是速度下降了.平均地看来, 2束激光的净作用是产生与原子运动方向相反的阻尼力, 从而使原子的运动减缓 (即冷却下来) .设想, 如果当原子在频率略高于原子跃迁能级差且相向传播的1对激光束中运动时, 则原子将会净吸收与它同向运动的光子, 这样原子不仅不能冷却, 反而被“加热”, 看起来很小的差异却导致了结果的反转, 前者是有利于我们想要达到的效果, 而后者却是不利的结果.这对于实验设计来说是至关重要的.

  1985年美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的菲利浦斯 (Willam D.Phillips) 和斯坦福大学的朱棣文 (Steven Chu) 首先实现了激光冷却原子的实验, 用6束相互垂直的激光束照射钠蒸汽室, 形成磁光阱, 将原子囚禁在空间的小区域中, 在激光交汇处产生了取名为“光学秥团”的原子状态, 这是一种捕获原子使之集聚的方法.更有效的方法是利用“原子阱”, 这是利用电磁场形成的“势能坑”, 原子可以被收集在坑内存起来.一种原子阱叫“磁阱”, 它利用2个平行的电流方向相反的线圈构成 (如图3所示) .这种阱中心的磁场为零, 向四周磁场不断增强.陷在阱中的原子具有磁矩, 在中心时势能最低.偏离中心时就会受到不均匀磁场的作用力而返回.1997年, 物理学家朱棣文等人的研究工作取得了突破性进展, 成功地得到了极低温度 (240μK) 的钠原子气体, 发表了激光冷却与囚禁的研究成果, 并因此获得了1997年诺贝尔物理学奖[5].

  图3 磁光阱原理
图3 磁光阱原理

  之后, 许多激光冷却的新方法不断涌现, 其中较着名的有“速度选择相干布居囚禁”和“拉曼冷却”, 前者由法国巴黎高等师范学院的柯亨-达诺基 (Claud Cohen-Tannodji) 提出, 后者由朱棣文提出, 他们利用这种技术分别获得了低于光子反冲极限的极低温度.此后, 人们还发展了磁场和激光相结合的一系列冷却技术, 其中包括偏振梯度冷却、磁感应冷却等.早期研究激光冷却与囚禁技术的主要目的是为了精确测量各种原子参量, 用于高分辨率激光光谱和超高精度的量子频标 (原子钟) .在此成果基础上, 之后E.A.Cornell, W.Ketterle, C.E.Wieman 3位科学家以基本相同的实验技术得到了最低为40μK的温度, 最使物理学家感兴趣的是它使人们观察到了“真正的”玻色-爱因斯坦凝聚, 这种凝聚是玻色和爱因斯坦分别于1924年预言的, 但长期未被观察到.这是一种宏观量子现象, 指的是宏观数目的粒子 (玻色子) 处于同一量子基态, 它实现的条件是粒子的德布罗意波长大于粒子的间距.在被激光冷却的极低温度下, 原子的动量很小, 因而德布罗意波长较大.同时, 在原子阱内又可捕获足够多的原子, 它们的相互作用很弱而间距较小, 因而可能达到凝聚的条件.1995年实验观察到了2×103个铷原子在170nK温度下和5×105个钠原子在2μK温度下的玻色-爱因斯坦凝聚, 该项科学研究成果被评为是20世纪物理学最伟大的成果之一, 3人因此获得了2001年诺贝尔物理学奖[6].

  激光冷却和原子捕陷的研究对基础科学研究具有很重要的意义, 如:原子光学、原子刻蚀、光学晶格、光镊子、玻色-爱因斯坦凝聚、高分辨率光谱以及光和物质的相互作用的基础研究等.激光冷却在高新技术上有许多重要应用, 例如, 由于原子的热运动几乎已消除, 所以能得到谱线宽度近乎极限的光谱线, 从而大大提高了光谱分析的精度, 也可以大大提高原子光钟的精度, 并用于研究某些物理常量是否随时间缓慢变化;验证广义相对论和量子电动力学;开展重大物理问题的科学研究;发展新一代时间/频率标准 (“秒”的新定义) 、全球定位系统与精确制导, 满足国家的重大战略需求, 等等.

  华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室长期从事高灵敏、高分辨、高精密光谱研究, 发展了多种无多普勒光谱技术, 并在原子分子精密光谱基础研究及包括激光精密控制、光学频率精密测量等应用基础研究中取得了具有科学意义和潜在应用价值的研究成果, 特别是在冷原子精密光谱、光学频率精密控制与精密测量、冷原子光钟等前沿研究领域做出了创新性的成果, 曾先后获得上海市科技成果奖和国家自然科学奖.

  4 结束语

  纵观现代科学与技术发展过程, 从多普勒效应的发现及其科学意义与应用价值给了我们重要的启示:物理学基础研究具有深远的科学意义, 它对学科发展的作用及技术开发与应用的价值是在相当长的历史进程中逐渐体现出来的, 对此的认识要有科学的远见与创新意识.科学与技术的创新是社会发展的动力, 科学研究不断探索新的未知领域, 促进人类认识自然界客观规律, 发展科学新技术并造福于人类社会.在科学研究的历史过程中, 人们形成了追求真理、勇于创新的科学精神, 这种科学精神随着科学技术的进步, 对整个社会精神面貌和人们的道德观念都发生了深刻影响, 大大推进了人类社会精神文明的发展进程.

  参考文献:

  [1] Nobelprize.org., The Nobel Prize in Physics 1981, https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1981/[EB/OL].2018-7-13.
  [2]夏慧荣, 王祖赓.分子光谱学和激光光谱学导论[M].上海:华东师范大学出版社, 1989.
  [3] Hansch T W, Schawlow A L.Cooling of gases by laser radiation[J].Opt.Commun., 1975, 13 (1) :68.
  [4]王义遒.原子的激光冷却与陷俘[M].北京:北京大学出版社, 2007.
  [5] Nobelprize.org., The Nobel Prize in Physics 1981, https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1997/[EB/OL].2018-7-13.
  [6] Nobelprize.org., The Nobel Prize in Physics 1981, https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2001/[EB/OL].2018-7-13.

    论文来源参考:毕志毅.多普勒效应的科学意义与应用价值[J].物理实验,2018,38(12):21-26.
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