レーザー冷却（レーザーれいきゃく）とは、レーザー光を用いて、気体分子の温度を絶対零度近くまで冷却する方法のこと。おもに、単原子分子、もしくは単原子イオンに用いられる。
原理 ここでは主にレーザー冷却過程のうちおおむね数ケルビンから数ミリケルビンの領域で有効に働くドップラー冷却過程について説明する。 サムネイル| 1原子は、吸収波長と合致しない光を吸収しない。2運動している原子から見た光は、ドップラー効果により波長が変化する。3.1変化後の波長が吸収波長と合致した場合、光を吸収する。3.2進行方向から到来する光を吸収した原子は、減速し、励起状態となる。3.3励起された原子は、光を再放出する。この時、原子の運動量は変化するが、方向がランダムであるため、元通りの速度にはならない
ドップラー冷却
原子やイオンは光（電磁波）を吸収すると、光圧という力を光の進行方向へ受ける。ドップラー冷却過程ではこの光圧を利用する。
まず、冷却しようとしている物質は気化しているものとする。また、圧力は充分に低く、原子（イオン）同士の相互作用は無視できるくらい低い確率でしか起こらないものとする。ここで、冷却しようとしている原子の吸収波長よりも、やや長波長側に調節したレーザー光を照射したとする。
通常、原子（イオン）は運動しているため、原子から見た光の波長は、ドップラー効果により変化する。原子から見た進行方向を正面とすると、正面から向かって来る光の波長は原子から見て短くなり、後ろから照射される光の波長は長くなる。これにより、原子と正面衝突する光の波長は吸収波長により近づき、原子を追いかける光の波長は吸収波長から遠ざかることになる。こうして、原子は運動方向と反対向きの光圧を受け、原子（イオン）は減速する。これは三次元空間の各軸について同時に行なうことができ、全ての方向について、原子の運動量を減らす、すなわち冷却することができる。
光を吸収して励起された原子は、自然放出によって光子を放出し、その反跳を受ける。放出方向を平均すると反跳による運動量変化は打ち消し合うが、運動量の二乗の平均は増大するため、自然放出は加熱をもたらす。このとき、質量 の原子が波数の大きさ の光子を1個放出することによる運動エネルギーの平均増加は、反跳エネルギー で与えられる。
ドップラー冷却過程で到達できる温度はドップラー効果由来の光圧のアンバランスによる冷却効果と、自然放射による加熱効果のつりあいで決まり、使用する原子（イオン）の吸収線の線幅に比例する。ナトリウム、ルビジウム等のアルカリ金属原子、水素、準安定希ガス原子についてはこの線幅はメガヘルツのオーダーであり、ドップラー冷却限界温度はミリケルビンのオーダーとなる。ストロンチウム等のアルカリ土類原子についてはキロヘルツのオーダーの吸収線が使用可能であり、その場合マイクロケルビンのオーダーとなる。
偏光勾配冷却 アルカリ金属原子等のように、レーザー冷却に用いる吸収線の下状態が角運動量を持つ場合、角運動量の差で顕れる偏光を光ポンピングによって分離することでさらなる冷却を可能とする。この方法は偏光勾配冷却、または（名前はギリシャ神話に登場にするシシフォスに因む）と呼ばれる。クロード・コーエン＝タヌージによって開発され、この功績で1997年にノーベル賞を授与されている。過程ではドップラー冷却限界以下への冷却が可能である。この場合の冷却限界は光子反跳温度で与えられる。光子反跳温度は原子（イオン）が光を一回吸収あるいは放出する際の速度変化に対応する温度であり、大抵の場合マイクロケルビンかそれ以下である。このことから、偏光勾配冷却過程の冷却限界温度も数マイクロケルビン程度となる。
蒸発冷却との組み合わせ レーザー冷却は、さらに低温の原子気体を得るためのと組み合わせて用いられる。1995年にエリック・コーネルとカール・ワイマンらが希薄な原子気体のボーズ＝アインシュタイン凝縮を実現した実験では、レーザー冷却を第1段階とし、磁気トラップ中の蒸発冷却を第2段階とする方法が採用された。
この方式では、レーザーで冷却した原子を磁気トラップに閉じ込め、高周波（rf）によってエネルギーの高い原子を選択的にトラップから排出する。残った原子の平均エネルギーが低下することで、気体はさらに冷却される。原子気体の蒸発冷却は1995年以前にも研究されており、1988年にはスピン偏極した原子状水素を用いた実験が報告されている。
応用 極低温において巨視的な物体にも顕著に現われる量子性を研究するため、具体的にはボース＝アインシュタイン凝縮の研究や量子コンピュータの実験などに用いられる。
脚注
関連項目 断熱消磁（磁気冷却） デービッド・ワインランド ハンス・デーメルト イオントラップ法
テオドール・ヘンシュ アーサー・ショーロー スティーブン・チュー クロード・コーエン＝タヌージ ウィリアム・ダニエル・フィリップス 原子時計