激光冷却是一种利用激光将气体分子的温度冷却至接近零的方法。它主要用于单原子分子或单原子离子。

这里，将主要描述在激光冷却过程中在几开尔文至几毫开尔文的区域中有效工作的多普勒冷却过程。

原子和离子的光（电磁波时的吸收）的光能量（光子的动能）Ê = ħ（[NU ħ：普朗克常数，γ：光学频率）接收，光压力即力光的沿行进方向接收。在多普勒冷却过程中使用了这种轻压力。为了简洁起见，给出一维解释。

首先，假设要冷却的物质被汽化。而且，压力足够低，并且原子（离子）之间的相互作用仅以低的概率发生，可以忽略。这里，假设从左和右两个方向照射具有相同强度的激光束，该激光束被调节到比要冷却的原子的吸收波长稍长的波长侧。

如果原子（离子）向右移动，由于光的多普勒效应，从左右方向照射的光的原子看到的波长会发生变化。该变化的符号相反，具体而言，从原子观察时，从右侧照射的光的波长变短，从左侧照射的光的波长变长。结果，从右侧照射的光的波长接近吸收波长，并且从左侧照射的光的波长移开。通过增加从右侧照射的光的吸收概率并减小从左侧照射的光的吸收概率，光压基本上向左。相反地​​，向左移动的原子通过相同的过程基本上接收到右光压力。

无论它向左还是向右移动，它都受到与移动方向相反的轻压力，并且原子（离子）的平均速度降低。即，它左右左右方向的运动变凉。可以针对三维空间中的每个轴同时进行此操作，并且可以减小所有轴的动能，即冷却动能。

激发原子后，自然辐射会释放从原子（离子）吸收激光所获得的能量。由于此时的辐射在所有方向上随机发生，因此此时的光压不会影响原子的平均速度。但是，原子的温度或动能与原子的均方根速度成正比，该均方根速度通过这种自发发射而增加。

多普勒冷却过程中可达到的温度取决于多普勒效应引起的轻压力失衡引起的冷却效应与自然辐射引起的加热效应之间的平衡，并且与所用原子（离子）的吸收线的线宽成正比。钠，铷，如一种碱金属原子，氢，亚稳稀有气体的线宽度原子兆赫的顺序，则多普勒冷却极限温度是毫开尔文的数量级上。对于锶等碱土原子，可以使用千赫兹量级的吸收线，在这种情况下，它们的吸收线数为微开尔文。

当用于激光冷却的吸收线的下部状态具有角动量时，例如碱金属原子，可以通过光学泵浦分离由于角动量不同而出现的偏振光来进一步冷却。这种方法是偏振梯度冷却，或Shishifosu冷却（该名称是希腊神话出现在Shishifosu叫而得名）。克洛德·科昂-唐努德日开发的，在这一成绩在1997年的诺贝尔文学奖被授予。在此过程中，可能会冷却到多普勒冷却极限以下。在这种情况下，冷却极限由光子反冲温度给出。光子反冲温度是与原子（离子）一次吸收或发射光时速度变化相对应的温度，通常为微开尔文或更低。因此，极化梯度冷却过程中的冷却极限温度也约为几微开尔文。

包括多普勒冷却过程和偏振梯度冷却过程在内的激光冷却的主要前提是可以忽略原子（离子）之间的相互作用。在较低的温度状态下，原子需要保持较高的密度，因此相互作用不能忽略，也不能仅通过激光冷却来实现。

由于冷却而充分失去其动能的原子几乎受重力作用而下降。只要它是具有磁性的原子磁光阱可以继续使用。此时，只有能量稍高且远离陷阱的原子才被红外线辐射吹走（蒸发）。由于温度是组成系统的原子团而不是单个原子的动能的分布，因此从系统中分离出即使动能很小的原子也将导致系统进一步冷却。这称为蒸发冷却，由Eric Cornell和Carl Wyman于1995年开发。这首次证实了原子系统中的玻色-爱因斯坦凝聚。由于这一成就，他与沃尔夫冈·凯塔尔（Wolfgang Ketare）一起被授予诺贝尔奖。发达铷与原子实验已经实现了约170纳米开尔文。