激光制冷的發(fā)展與應(yīng)用

1、激光制冷的發(fā)展與應(yīng)用物理學(xué)121001105王連斌激光制冷的發(fā)展與應(yīng)用隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的不斷提高，與國(guó)計(jì)民生息息相關(guān)的制冷空調(diào)行業(yè)也面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的制冷方式也逐漸暴露出其缺點(diǎn)和不足，尤其是限制破壞臭氧層物質(zhì)和溫室效應(yīng)氣體相關(guān)協(xié)定的出臺(tái)，對(duì)蒸汽壓縮式制冷方式提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。不管是超導(dǎo)還是BEC，超低溫都是其必不可少的條件。從熱力學(xué)開創(chuàng)至發(fā)展以來。絕對(duì)零度一直是一個(gè)可望而不可及的溫度，盡管我們不可達(dá)到，但我們都試圖去接近它。不僅是在熱力學(xué)，在其他領(lǐng)域，絕對(duì)零度都是一個(gè)很值得去深究的問題。我們通過一些超低溫實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證或者發(fā)現(xiàn)某些規(guī)律。而激光制冷具有無振動(dòng)、無噪聲、無電磁輻射

2、、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長(zhǎng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是我們努力研究的制冷方向，是通向超低溫領(lǐng)域的一個(gè)必不可少的途徑。一、激光制冷原理激光制冷原理有兩種：多普勒制冷技術(shù)和反斯托克斯熒光制冷技術(shù)。1.溫度是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。眾所周知，我們周圍的一切分子和原子都在進(jìn)行著永不停息的無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。而我們制冷的實(shí)質(zhì)就是降低這些分子或原子的總體上的熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。激光制冷中的一個(gè)很重要的技術(shù)就是多普勒冷卻技術(shù)，多普勒冷卻技術(shù)的原理就是通過激光發(fā)出光子來阻礙原子的熱運(yùn)動(dòng)，而這個(gè)阻礙過程則是通過減小原子的動(dòng)量來實(shí)現(xiàn)的。那么，激光究竟是如何來減小這些原子的動(dòng)量呢？首先

3、，量子力學(xué)提出，原子只能吸收特定頻率的光子，從而改變其動(dòng)量。多普勒效應(yīng)指出，波在波源移向觀察者時(shí)頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)頻率變低。當(dāng)觀察者移動(dòng)時(shí)也能得到同樣的結(jié)論。同樣，對(duì)于原子也是如此，當(dāng)原子的運(yùn)動(dòng)方向與光子運(yùn)動(dòng)相反時(shí)，則此光子的頻率將增大，而當(dāng)原子運(yùn)動(dòng)方向于此光子運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，則此光子頻率將減小。然后的話，另一個(gè)物理學(xué)原理就是光雖然沒有靜質(zhì)量，但其具有動(dòng)量。那么綜合以上幾個(gè)個(gè)物理學(xué)特性，我們就能構(gòu)建出激光冷卻的簡(jiǎn)單模型。激光器的頻率在一定范圍內(nèi)是可調(diào)的，而把激光器的頻率調(diào)至略低于某原子的可以吸收的頻率時(shí)，就會(huì)有意想不到的結(jié)果。當(dāng)用這樣一束光照射某一特定的原子時(shí)，就會(huì)發(fā)生這樣的情況。

4、如果原子是向著激光束運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于光的多普勒效應(yīng)，則光子的頻率增加，而原來激光光子的頻率剛好是略小于原子的可吸收的頻率，則此時(shí)由于多普勒效應(yīng)則剛好被原子吸收。而這一吸收表現(xiàn)為動(dòng)量改變。因?yàn)楣庾拥倪\(yùn)動(dòng)方向與原子的運(yùn)動(dòng)方向相反，則在光子與原子碰撞之后，原子躍遷到激發(fā)態(tài)，并且動(dòng)量減小，故動(dòng)能也隨之減小。而對(duì)于其他運(yùn)動(dòng)方向的原子，則其對(duì)應(yīng)的光子的頻率不會(huì)增加，所以不能吸收激光束中的光子，所以也不會(huì)有動(dòng)量增加這一現(xiàn)象的發(fā)生，相對(duì)于動(dòng)能來講也是一樣。當(dāng)我們用多束激光從不同角度來照射原子，則在不同運(yùn)動(dòng)方向上的原子的動(dòng)量都會(huì)減小，從而動(dòng)能減小。而由于在激光只減小原子的動(dòng)量，所以在此過程持續(xù)一段時(shí)間后，大多數(shù)的原

5、子的動(dòng)量就會(huì)達(dá)到一個(gè)很低的水準(zhǔn)，從而達(dá)到制冷的目的。但此技術(shù)所應(yīng)用的范圍大多是用于原子冷卻，而對(duì)于分子，這種方法很難將其冷卻到超低溫。但超冷分子比超冷原子的意義更大，因?yàn)槠鋵傩愿鼮閺?fù)雜。目前，冷卻分子的方法是將超冷堿原子結(jié)合在一起，產(chǎn)生雙堿分子。不久之前，耶魯大學(xué)就曾經(jīng)將氟化鍶（SrF）冷卻到幾百微開。2.另一種激光制冷也稱反斯托克斯熒光制冷(AntistokesFluorescentCooling)，是正在發(fā)展的新概念的制冷方法其基本原理是反斯托克斯效應(yīng)，利用散射與入射光子的能量差實(shí)現(xiàn)制冷。反斯托克斯效應(yīng)是一種特殊的散射效應(yīng)，其散射熒光光子波長(zhǎng)比入射光子波長(zhǎng)短因此，散射熒光光子能量高于入射光

6、子能量，其過程可簡(jiǎn)單理解為：用低能量激光光子激發(fā)發(fā)光介質(zhì)，發(fā)光介質(zhì)散射出高能量的光子，將發(fā)光介質(zhì)中的原有能量帶出介質(zhì)而制冷。與傳統(tǒng)制冷方式相比，激光起到了提供制冷動(dòng)力的作用，而散射出的反斯托克斯熒光則是熱量載體。由于制冷材料對(duì)泵浦光的吸收有限，激光冷卻材料一般含有雜質(zhì)離子如Cu2+Co2+Cr3+，雜質(zhì)中心會(huì)導(dǎo)致熒光猝滅和非輻射的多聲子馳豫振蕩和競(jìng)爭(zhēng)，從而導(dǎo)致制冷效率降低，當(dāng)前試驗(yàn)效率均不高于3%目前國(guó)內(nèi)外研究主要集中在：進(jìn)一步深化理論研究，尋找更適合能級(jí)結(jié)構(gòu)的原子離子或其他基團(tuán)，作為制冷元件的熒光中心，以提高制冷循環(huán)的制冷量和制冷系數(shù)；優(yōu)化光路設(shè)計(jì)，提高激光利用率；提高介質(zhì)純度，減少雜質(zhì)引起

7、的制冷消耗；改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)絕熱系數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。二、激光制冷的發(fā)展1.普勒激光制冷的發(fā)展1975年，T.W.Hnsch和A.L.Schawlow首先建議用相向傳播的激光束使中性原子冷卻。他們的方法是：把激光束調(diào)諧到略低于原子的諧振躍遷頻率，利用多普勒原理就可使中性原子冷卻。1985年，華裔科學(xué)家朱棣文和他的同事在美國(guó)新澤西州荷爾德爾（Holmdel）的貝爾實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步用兩兩相對(duì)互相垂直的六束激光使原子減速。他們讓真空中的一束鈉原子先是被迎面而來的激光束阻礙下來，之后把鈉原子引進(jìn)六束激光的交匯處。這六束激光都比靜止鈉原子吸收的特征波長(zhǎng)長(zhǎng)一些。而其效果就是不管鈉原子向何方運(yùn)動(dòng)，都會(huì)遇

8、上具有恰當(dāng)能量的光子，并被推回到六束激光交匯的區(qū)域。從而在這個(gè)小區(qū)域里，聚集了大量的冷卻下來的原子，組成了肉眼看去像是豌豆大小的發(fā)光的氣團(tuán)。由六束激光組成的阻尼機(jī)制就像某種粘稠的液體，原子陷入其中會(huì)不斷降低速度。大家給這種機(jī)制起了一個(gè)綽號(hào)，叫“光學(xué)粘膠”。但由于重力的作用，這一現(xiàn)象并為維持多久，因?yàn)槠洳⑽词乖酉莘?987年，磁光陷阱被做成，從而有了新的突破，它是用上述六束激光再加上兩個(gè)線圈組成。線圈產(chǎn)生微小變化的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)最小值處于激光相交的位置，由于塞曼效應(yīng)。就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比重力大的力，從而把原子拉回到陷阱中心。從而原子被約束在一個(gè)很小的區(qū)域。以便科學(xué)研究。亞多普勒冷卻從多普勒激光冷卻原

9、理可知，多普勒激光冷卻是有一個(gè)溫度極限的，但是，科學(xué)家們卻發(fā)現(xiàn)冷卻的原子溫度卻低于這個(gè)極限溫度。于是，又產(chǎn)生了亞多普勒冷卻。1988年初，菲利普斯和他在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)院的小組研究了在光學(xué)粘膠中緩慢運(yùn)動(dòng)的中性鈉原子冷云團(tuán)。他們發(fā)現(xiàn)，原子的溫度約為40K，比預(yù)計(jì)的多普勒極限240K低得多。他們還發(fā)現(xiàn)，最低的溫度是在與理論多普勒極限的條件相矛盾的條件下得到的。之后，科學(xué)家們便作出了產(chǎn)生這一現(xiàn)象的理論解釋。原來多普勒冷卻和多普勒極限的理論是假設(shè)原子具有簡(jiǎn)單的二能級(jí)譜?？墒菍?shí)際上真正的鈉原子都具有好幾個(gè)塞曼子能級(jí)，不但在基態(tài)，而且在激發(fā)態(tài)也是如此?；鶓B(tài)子能級(jí)可以用光泵方法激發(fā)，也就是說，激光能夠把鈉原

10、子轉(zhuǎn)變?yōu)榘醋幽芗?jí)布居的不同分布，并引起新的冷卻機(jī)制。這種布居分布的細(xì)節(jié)依賴于激光的偏振態(tài)，而在光學(xué)粘膠中，在光學(xué)波長(zhǎng)量級(jí)的距離里偏振態(tài)會(huì)發(fā)生快速的變化。故而，人們將這種新的冷卻機(jī)制稱為“偏振梯度冷卻”。1989年，菲利普斯訪問巴黎，他與高等師范學(xué)院的小組合作，共同證明了中性銫原子可以冷卻到2.5K。他們發(fā)現(xiàn)，和多普勒冷卻一樣，其它類型的激光冷卻也有相應(yīng)的極限。以從單個(gè)光子反沖而得的速度運(yùn)動(dòng)的一團(tuán)原子所相當(dāng)?shù)臏囟染徒蟹礇_極限。之后為了突破這一極限，法國(guó)的研究小組和美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究小組分別提出了速度選擇相干布居數(shù)囚禁(VSCPT，VelocitySelectiveCoherentPopulat

11、ionTrapping)和拉曼躍遷冷卻(RamanCooling)的冷卻方案。2010年，科學(xué)家使用激光，把分子冷凍到接近絕對(duì)零度，這是單分子激光制冷首次達(dá)到這樣的低溫。向控制物質(zhì)化學(xué)物理過程，制造量子計(jì)算機(jī)邁進(jìn)了一大步。上世紀(jì)七八十年代，物理學(xué)家就能將原子冷卻到非常接近絕對(duì)零度的低溫。基本原理就是用激光作用在原子上使之減速。當(dāng)原子被冷凍到接近絕對(duì)零度時(shí)，它們就會(huì)遵守特殊的量子力學(xué)定律。在與它們的低能級(jí)相應(yīng)的狀態(tài)下振動(dòng)，這被用作超敏加速計(jì)和量子鐘，原子本身也會(huì)粘在一起形成一種“超級(jí)原子”，這就是著名的“玻色愛因斯坦凝聚”。對(duì)分子制冷要比對(duì)單個(gè)原子更加復(fù)雜。原子可以通過激光來制冷，因?yàn)閬碜约す馐?/p>

12、的光粒子被吸收后，原子會(huì)重新發(fā)出一個(gè)光子，從而減少動(dòng)能。經(jīng)過上千次這種反應(yīng)滯后，原子就被冷凍在絕對(duì)零度附近十億分之幾的范圍內(nèi)。但分子比原子更重，更難對(duì)激光起反應(yīng)。而且，分子會(huì)以原子鍵和旋轉(zhuǎn)、自旋的方式儲(chǔ)存能量，這些因素都讓分子很難變冷。2.反斯托克斯熒光制冷的發(fā)展早在1929年，PPringsheim就提出通過反斯托克斯熒光對(duì)材料進(jìn)行制冷的設(shè)想，但遭到SV當(dāng)日咯烷等人的強(qiáng)烈反對(duì)。其后，他與反對(duì)派物理學(xué)家SVdrilow等人進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)16年的論戰(zhàn)，論戰(zhàn)的焦點(diǎn)主要在于該制冷方法是否違背熱力學(xué)的基本原理。1946年著名的物理學(xué)家LLandan利用熱力學(xué)的基本原理，吧發(fā)光物體與光組成的系統(tǒng)作為熱力學(xué)研

13、究對(duì)象，證明了利用激光制冷是可能的。1950年，法國(guó)學(xué)者AlfredKastler發(fā)現(xiàn)了“Lumino-caloric”效應(yīng)。他緊緊報(bào)道了實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)溫度升高的速度變小，沒能觀察到系統(tǒng)的溫度降低。1995年，美國(guó)LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室空間制冷技術(shù)研究組的Epstein及同事首次通過激光誘導(dǎo)反斯托克斯熒光在固體材料上成功地獲得可測(cè)量的制冷量。1999年，低溫物理學(xué)家EFinkeipen利用摻雜藍(lán)寶石激光器激發(fā)GaAs/GaAlAs半導(dǎo)體量子阱材料的空穴激子，實(shí)現(xiàn)空穴激子的反斯托克斯熒光發(fā)射，給出了不同溫度下制冷效率與制冷溫度的關(guān)系。中國(guó)科學(xué)院激發(fā)態(tài)物理開放實(shí)驗(yàn)室的科研人員在理論研究中，先后提

14、出了反斯托克斯熒光制冷的單中心制冷物理模型、能量傳遞模型及雙機(jī)制并行的物理模型。三、激光制冷應(yīng)用與展望首先，得介紹一下，在二十世紀(jì)七八十年代以后，科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室能夠達(dá)到的最低溫度可用K作單位的溫度了?？上攵?，激光冷卻與我們科學(xué)研究的意義。激光制冷的優(yōu)點(diǎn)是可冷卻溫度低，但其也有局限性，因?yàn)槠淇衫鋮s空間極小。激光制冷技術(shù)早期的主要目的是為了精確測(cè)量各種原子參數(shù)，用于高分辨率激光光譜和超高精度的量子頻標(biāo)(原子鐘)，后來成為實(shí)現(xiàn)原子玻色-愛因斯坦凝聚的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)方法。雖然早在20世紀(jì)初人們就注意到光對(duì)原子有輻射壓力作用，只是在激光器發(fā)明之后，才發(fā)展了利用光壓改變?cè)铀俣鹊募夹g(shù)。激光冷卻有許多應(yīng)用，如

15、：原子光學(xué)、原子刻蝕、原子鐘、光學(xué)晶格、光鑷子、玻色-愛因斯坦凝聚、費(fèi)米子凝聚態(tài)、原子激光、高分辨率光譜以及光和物質(zhì)的相互作用的基礎(chǔ)研究等等。然后還有最近的超冷分子，其為量子計(jì)算機(jī)的制造提供了可能性依據(jù)。玻色-愛因斯坦凝聚提到激光制冷就不得不提到BEC（Bose-Einsteincondensation）玻色-愛因斯坦凝聚。早在1924年印度物理學(xué)家玻色提出以不可分辨的n個(gè)全同粒子的新觀念，并且將這篇論文寄給了愛因斯坦，進(jìn)過對(duì)這一問題進(jìn)行研究之后，預(yù)言當(dāng)這類原子的溫度足夠低時(shí)，會(huì)有相變-新的物質(zhì)狀態(tài)產(chǎn)生，所有的原子會(huì)突然聚集在一種盡可能低的能量狀態(tài)，這就是我們所說的玻色-愛因斯坦凝聚。但由于一

16、直無法使物質(zhì)接近接近絕對(duì)零度，從而一直未觀察到此狀態(tài)。之后，從20世紀(jì)90年代以年來，由于大家所熟知的三位物理學(xué)家（Chu（朱棣文），Cohen，Phillips)的杰出工作，激光冷卻與囚禁中性原子技術(shù)得到了極大發(fā)展，為玻色-愛因斯坦凝聚奇跡的實(shí)現(xiàn)提供了條件。直到1995年，人們從實(shí)驗(yàn)室獲得了這一狀態(tài)。由于BEC的種種性質(zhì)，我們可以利用BEC的這些特殊狀態(tài)做出些通常物質(zhì)無法做到的東西。這些原子組成的集體步調(diào)非常一致，因此內(nèi)部沒有任何阻力。激光就是光子的玻愛凝聚，在一束細(xì)小的激光里擁擠著非常多的顏色和方向一致的光子流。超導(dǎo)和超流也都是玻愛凝聚的結(jié)果。又比如說原子凝聚體中的原子幾乎不動(dòng)，可以用來設(shè)

17、計(jì)精確度更高的原子鐘，以應(yīng)用于太空航行和精確定位等。玻愛凝聚態(tài)的原子物質(zhì)表現(xiàn)出了光子一樣的特性正是利用這種特性，前年哈佛大學(xué)的兩個(gè)研究小組用玻色-愛因斯坦凝聚體使光的速度降為零，將光儲(chǔ)存了起來。除此之外，原子激光也是BEC產(chǎn)物。而且與此相對(duì)的費(fèi)米子凝聚態(tài)也是通過BEC達(dá)到，其將促進(jìn)人們對(duì)超導(dǎo)的研究。然而促成這一切的就是激光制冷。超冷分子這種超冷分子有助于科學(xué)家研究量子力學(xué)的化學(xué)屬性。超低溫度下，極性分子可被看作是微小的磁體，有著南北兩極，研究人員可利用這一性質(zhì)，構(gòu)建一個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)，讓極冷粒子在其中相互反應(yīng)，而這用超冷原子是做不到的。研究人員表示，最終超冷材料將應(yīng)用在量子計(jì)算機(jī)上。由于超冷分子具有

18、“磁體”特征，這意味著分子之間能通過磁場(chǎng)互相反應(yīng)。使它們能執(zhí)行分類量子計(jì)算，可能會(huì)突破現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的編碼和解碼問題，實(shí)現(xiàn)量子重疊與牽連原理產(chǎn)生的巨大計(jì)算能力。這是當(dāng)前最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)由于物理化學(xué)方面的限制而無法實(shí)現(xiàn)的。量子計(jì)算機(jī)（quantumcomputer）是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。量子計(jì)算機(jī)是通過量子分裂式、量子修補(bǔ)式來進(jìn)行一系列的大規(guī)模高精確度的運(yùn)算的。其浮點(diǎn)運(yùn)算性能是普通家用電腦的CPU所無法比擬的，量子計(jì)算機(jī)大規(guī)模運(yùn)算的方式其實(shí)就類似于普通電腦的批處理程序，其運(yùn)算方式簡(jiǎn)單來說就是通過大量的量子分裂，再進(jìn)行高速的量子修補(bǔ)，但是其精確度和速度也是普通電腦望塵莫及的。大規(guī)模集成電路對(duì)于大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路來說由于內(nèi)部的電子元件數(shù)量巨大，往往發(fā)熱都非常嚴(yán)重。對(duì)其制冷后，它可以在85以下正常工作，工作溫度相對(duì)來說比較高。而較高的工作溫度對(duì)于熒光制冷意味著比較高的制冷效率?？臻g遙感領(lǐng)域目前空間探測(cè)器上普遍使用的致冷方式主要有：輻射致冷，固體致冷，機(jī)械致冷等，但由于空間環(huán)境的特殊性，空間致冷必須具備質(zhì)量輕，體積小，壽命長(zhǎng)，低