激光制冷_百度文庫

1、激光制冷說道激光制冷，就不能不先說下，什么是激光。激光（英語：Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation，縮寫為LASER，或laser），是指窄幅頻率的光輻射線，通過受激輻射放大和必要的反饋共振，產(chǎn)生準直、單色、相干的光束的過程及儀器?；旧?，產(chǎn)生激光需要“共振結(jié)構(gòu)”、“增益介質(zhì)”及“激發(fā)來源”這三個要素。愛因斯坦在1930年代描述了原子的受激輻射。在此之后人們很長時間都在猜測，這個現(xiàn)象可否被用來加強光場，因為前提是介質(zhì)必須存在著群數(shù)反轉(zhuǎn)（或譯居量反轉(zhuǎn)）的狀態(tài)。在一個二級系統(tǒng)中，這是不可能的。人們

2、首先想到用三級系統(tǒng)，而且計算證實了輻射的穩(wěn)定性。1958年，美國科學家肖洛(Schawlow和湯斯(Townes發(fā)現(xiàn)了一種神奇的現(xiàn)象：當他們將氖光燈泡所發(fā)射的光照在一種稀土晶體上時，晶體的分子會發(fā)出鮮艷的、始終會聚在一起的強光。根據(jù)這一現(xiàn)象，他們提出了"激光原理"，即物質(zhì)在受到與其分子固有振蕩頻率相同的能量激發(fā)時，都會產(chǎn)生這種不發(fā)散的強光-激光。他們?yōu)榇税l(fā)表了重要論文，并獲得1964年的諾貝爾物理學獎。肖洛和湯斯的研究成果發(fā)表之后，各國科學家紛紛提出各種實驗方案，但都未獲成功。1960年5月16日，美國加利福尼亞州休斯實驗室的科學家梅曼宣布獲得了波長為0.6943微米的激光

3、，這是人類有史以來獲得的第一束激光，梅曼因而也成為世界上第一個將激光引入實用領(lǐng)域的科學家。1960年7月7日，梅曼宣布世界上第一臺激光器由誕生，梅曼的方案是，利用一個高強閃光燈管，來刺激紅寶石。由于紅寶石其實在物理上只是一種摻有鉻原子的剛玉，所以當紅寶石受到刺激時，就會發(fā)出一種紅光。在一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面鉆一個孔，使紅光可以從這個孔溢出，從而產(chǎn)生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使其達到比太陽表面還高的溫度。前蘇聯(lián)科學家尼古拉·巴索夫于1960年發(fā)明了半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)通常由p層、n層和形成雙異質(zhì)結(jié)的有源層構(gòu)成。其特點是：尺寸小、p合效率高、響

4、應(yīng)速度快、波長和尺寸與光纖尺寸適配、可直接調(diào)制、相干性好。在1980年代后期，半導(dǎo)體技術(shù)使得更高效而耐用的半導(dǎo)體激光二極管成為可能，這些在小功率的CD和DVD光驅(qū)和光纖數(shù)據(jù)線中得到使用。在1990年代，高功率的激光激發(fā)原理得到實現(xiàn)，比如片狀激光和纖維激光。后者由于新的加工技術(shù)和20kW的高功率不斷地被應(yīng)用到材料加工領(lǐng)域中，從而部分的替代了CO2激光和Nd:YAG-激光。2000年代，激光的非線性得到利用，來制造X射線脈沖（來跟蹤原子內(nèi)部的過程）；另一方面，藍光和紫外線激光二極管已經(jīng)開始進入市場。在2009年，中國研制出一種名為氟代硼鈹酸鉀（KBBF）的晶體，可用于激發(fā)深紫外線激光，一旦成功應(yīng)用

5、，可令每片光碟的容量超過1TB，亦使半導(dǎo)體上可儲存的電路密度大幅提高1?，F(xiàn)在，激光器已成為工業(yè)、通訊、科學及電子娛樂中的重要設(shè)備。原理 受激輻射電子的運動狀態(tài)可以分為不同的能級，電子從高能級向低能級躍遷時，會釋放出相應(yīng)能量的電磁波（所謂自發(fā)輻射）。一般的發(fā)光體中，這些電子釋放光子的動作是隨機的，所釋放出的光子也沒有相同的特性，例如鎢絲燈發(fā)出的光。當外加能量以電場、光子、化學等方式注入到一個能級系統(tǒng)并為之吸收的話，會導(dǎo)致電子從低能級向高能級躍遷（所謂受激吸收），當自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子碰到這些因外加能量而躍上高能級的電子時，這些高能級的電子會因受誘導(dǎo)而遷到低能級并釋放出光子（所謂受激輻射），受激輻射

6、的所有光學特性跟原來的自發(fā)輻射包括：頻率、相位、前進方向等會是一樣的，這些受激輻射的光子碰到其他因外加能量而躍上高能級的電子時，又會再產(chǎn)更多同樣的光子，最后光的強度越來越大（即光線被放大了），而與一般的光不同的是所有的光子都有相同的頻率、相位、前進方向。要做到光放大，就要產(chǎn)生一個高能級電子比低能量級電子數(shù)目多的環(huán)境，即群數(shù)反轉(zhuǎn)，這樣才有機會讓高能級電子碰上光子來釋放新的光子，而不是隨機釋放。一般激光發(fā)產(chǎn)生器有三個基本要素：“激發(fā)來源”（pumping source）：把能量供給低能級的電子，激發(fā)使其成為高能級電子，能量供給的方式有電苛放電、光子、化學作用。“增益介質(zhì)”（gain medium）

7、：被激發(fā)、釋放光子的電子所在的物質(zhì)，其物理特性會影響所產(chǎn)生激光的波長等特性?！肮舱袂弧保╫ptical cavity/optical resonator）：是兩面互相平行的鏡子，一面全反射，一面半反射。作用是把光線在反射鏡間來回反射，目的是使被激發(fā)的光經(jīng)過增益介質(zhì)多次以得到足夠的放大，當放大到可以穿透半反射鏡時，激光便從半反射鏡發(fā)射出去。因此，此半反鏡也被稱為輸出耦合鏡（output coupler）。兩鏡面之間的距離也對輸出的激光波長有著選擇作用，只有在在兩鏡間的距離能產(chǎn)生共振的波長才能產(chǎn)生激光。 群數(shù)反轉(zhuǎn)（population inversion）在一個二級系統(tǒng)中，一個電子自低能級向高能級

8、躍遷和自高能級向低能級躍遷的概率是一樣的。為了達到光放大的作用，在高能級必須有更多的電子，使得受激輻射發(fā)生的概率更高。這個狀態(tài)稱為占據(jù)逆轉(zhuǎn)。出于這個原因，所以以光子激發(fā)的二級系統(tǒng)是無法實現(xiàn)激光的，所以激光一般是以通過三級系統(tǒng)和四級系統(tǒng)得到實現(xiàn)。在三級系統(tǒng)中，電子受激躍遷到高能級后，便很快轉(zhuǎn)為亞穩(wěn)態(tài)。由此激光媒介被激發(fā)為高能態(tài)，占據(jù)逆轉(zhuǎn)得到實現(xiàn)。“激光”的中文一詞的來歷1960年7月7日，美國科學家梅曼（Theodore Harold Maiman）發(fā)明了第一臺激光器，1961年，中國大陸第一臺激光器在中科院長春光機所研制成功。但當時中國并沒有激光一詞，中國科學界對它（英文Light Ampli

9、fication of Stimulated Emission of Radiation縮寫為LASER）的翻譯多種多樣，例如“光的受激輻射放大器”、“光量子放大器”這些名字顯然太長，不利于稱呼。還有一些音譯，如“萊塞”或者“鐳射”。命名的混亂給科學界、教育界帶來極大的不便，1964年冬天，中國全國第三屆光量子放大器學術(shù)報告會在上海召開，這次會議的一項重要議程，就是研究并通過對幾個專有名詞的統(tǒng)一命名。會議召開前，光受激發(fā)射情報雜志編輯部給中國著名科學家錢學森寫了一封信，請他給Laser取一個中文名字。不久，錢學森就回信給編輯部，建議命名為“激光”。這一名字體現(xiàn)了光的本質(zhì)、又描述了這類光和傳統(tǒng)光

10、的不同，即“激”體現(xiàn)了受激發(fā)生，激發(fā)態(tài)等意義。這一名稱提交到第三次光量子放大器學術(shù)報告會討論，受到了與會者的一致贊同。從此中國大陸對Laser這一年輕的新生事物有了統(tǒng)一而有意義的漢語名稱。好，那什么是激光制冷呢？從20世紀七、八十年代幾十年以來，一種叫做多普勒冷卻的技術(shù)一直在用激光冷卻材料，利用光子使原子減速。能量從原子到光子的轉(zhuǎn)換能使原子冷卻到絕對溫度零上百萬分之一度弱。但是只是在極小的尺寸上才能作到這一點。激光制冷的基本介紹不管你往什么地方看，到處都有激光的痕跡。激光束能準確地進行外科手術(shù)，就像小小的粒子加速器一樣干凈利落地工作。它們能在實驗室再生太陽表面的白熱狀態(tài)。在科技日新月異的當今，人們已經(jīng)可以通過高科技的手段利用激光能把材料中的熱量逐漸排出，直至這些材料像冰凍的冥王星一樣冷。美國的科學家已經(jīng)研制出激光冷卻器的樣機，他們希望能把這些冷卻器放到衛(wèi)星上使用。激光制冷的基本原理激光為什么能制冷呢？原來，物體的原子總是在不停地做無規(guī)則運動，這實際上就是表示物體溫度高低的熱運動，即原子運動越激烈，物體溫度越高；反之，溫度就越低。所以，只要降低原子運動速度，就能降低物體溫度。激光制冷的原理就是利用大量的光子