物體的原子總是在不停地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)越激烈，物體溫度越高.反之，溫度就越低。所以，只要降低原子運(yùn)動(dòng)速度，就能降低物體溫度。激光制冷的原理就是利用大量的光子阻礙原子運(yùn)動(dòng)，使其減速，從而降低了原子溫度。當(dāng)然這種方法還只能限于原子級(jí)、分子級(jí)的范圍，目前還不能冷凍大一些的物體。
多普勒冷卻是激光制冷的第一個(gè)例子，也仍然是最常見的激光制冷方法，是在1975年由是david j. wineland、hans georg dehmelttheodor 和w. hänsch 和 arthur leonard schawlow兩個(gè)研究小組分別同時(shí)提出來的。
arthur leonard schawlow, american (1921–1999)
hans georg dehmelt, american (1922–)
多普勒冷卻是基于從光子到原子的動(dòng)量交換的原理。當(dāng)原子暴露在諧振激光中時(shí)，它會(huì)吸收與它運(yùn)動(dòng)方向相同光子，然后光子會(huì)自發(fā)地沿著的隨機(jī)的方向散射。經(jīng)過大量的吸收/發(fā)射，會(huì)在激光的方向上得到一個(gè)凈動(dòng)量傳遞。這種通過動(dòng)量傳遞產(chǎn)生的力被稱為輻射力，可用于操縱原子的運(yùn)動(dòng)。
激光制冷過程中原子和光子的動(dòng)量交換
如果這種吸收和發(fā)射過程是反復(fù)多次，原子的平均運(yùn)動(dòng)速度，或者說原子的動(dòng)能就會(huì)減少。由于一個(gè)原子的總體溫度是原子平均內(nèi)動(dòng)能的標(biāo)志，因此，原子的平均運(yùn)動(dòng)速度的減小等價(jià)于這相當(dāng)于原子溫度的降低。
為了使原子的三維運(yùn)動(dòng)受到阻尼運(yùn)動(dòng)，多普勒冷卻系統(tǒng)至少需要6個(gè)激光束，即使用三組互相垂直的反向傳播的照射中性原子，這樣，原子可在6個(gè)不同的方向受到阻尼，原子的熱運(yùn)動(dòng)就會(huì)被減慢而逐漸被冷卻，這就是激光致冷的原理。
三組互相垂直的反向傳播激光束阻尼原子的熱運(yùn)動(dòng)
多普勒冷卻通常還和磁阱配合使用，這種磁-光阱的方法是迄今為止最常見的激光制冷的方法。
1985年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的phillips (willam daniel phillips, american)和斯坦福大學(xué)的朱棣文(steven chu, american, 1948–) 首先采用三束相互垂直的激光，從各個(gè)方面對(duì)原子進(jìn)行照射，使原子陷于光子海洋中，運(yùn)動(dòng)不斷受到阻礙而減速。實(shí)現(xiàn)了激光冷卻原子的實(shí)驗(yàn)，并得到了240μk的鈉原子氣體。
steven chu, american (1948– )
就像一個(gè)快跑的人，一下子跑到擠滿人的廣場(chǎng)上，無論向哪個(gè)方向跑都會(huì)和其他人碰撞，不得不減慢速度。激光的這種作用被形象地稱為“光學(xué)粘膠”，即用光子將原子“粘”住。但多普勒冷卻有一定限度。
1987年，朱棣文又設(shè)計(jì)了一個(gè)“磁光阱”捕捉原子，這是利用電磁場(chǎng)形成的一種“勢(shì)能坑”，原子可以被收集在坑內(nèi)存起來。其后，phillips和cohen-tannoudji (claude cohen-tannoudji, french)又在朱棣文研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低了激光冷卻的溫度和改進(jìn)了捕捉原子的方法，冷卻溫度達(dá)到了1 μk以下，這時(shí)候的原子就只有慢慢爬行，束手就擒的份了。
朱棣文博士在做實(shí)驗(yàn)
這三位科學(xué)家發(fā)明的激光和磁阱技術(shù)制冷方法，使得對(duì)單個(gè)原子及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的研究成為可能，大大地拓展了人們對(duì)輻射與物質(zhì)之間相互作用的認(rèn)識(shí)。特別是他們開創(chuàng)了一條新的道路，使人們對(duì)低溫狀態(tài)下空氣的量子物理特性加深了理解，因此，他們也分享了1997年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。朱棣文是繼楊振寧、李政道、丁肇中和李遠(yuǎn)哲之后第5位獲諾貝爾獎(jiǎng)的華裔學(xué)者。
在室溫下，空氣中的原子和分子以4000km/h的速度運(yùn)動(dòng)，當(dāng)溫度下降時(shí)其速度會(huì)隨之降低。但即使達(dá)到-270℃，其運(yùn)動(dòng)速度仍達(dá)到400km/h。只有在-273℃以下，速度才會(huì)大大下降，如達(dá)到１μk時(shí)，速度降為25cm/s。
1995年，朱棣文等利用激光制冷的方法曾捕集到溫度僅為24pk(2.4x10-11k)的一群鈉原子，這是目前為止實(shí)驗(yàn)室內(nèi)達(dá)到的最低溫度，也是運(yùn)動(dòng)速度最緩慢的原子了，這已非常接近絕對(duì)零度了。