激光制冷的原理

1、  早在1985年，美國華裔物理學(xué)家朱棣文就成功地用滋光冷凍了原子，從而榮獲1997年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。    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(yùn)動(dòng)，這實(shí)際上就是表示物體溫度高低的熱運(yùn)動(dòng)，即原子運(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。徽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，從而降低了物體溫度。   自1995年epstein實(shí)現(xiàn)了光與熱的制冷效應(yīng)的歷史性突破以來 ,由于該制冷方法具有全光性的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn) ,同時(shí)制備的制冷器具有無振動(dòng)和噪聲、無電磁

2、輻射、體積小、質(zhì)量輕、可靠性高等特點(diǎn) ,因此反斯托克斯熒光制冷器在軍事、航天衛(wèi)星、微電子、低溫物理與工程等領(lǐng)域具有非常誘人的應(yīng)用前景。    物體原子運(yùn)動(dòng)的速度通常 在約每秒500米左右。長期以來，科學(xué)家一直在尋找使原子相對靜止的方法。朱棣文采用三束相互垂直的激光，從各個(gè)方面對原子進(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。激光的這種作用被形象地稱為“光學(xué)粘膠”。在試驗(yàn)中，被“粘”住的原子可以降到幾乎接近絕對零度的低溫。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(xué)家已經(jīng)研制出激光冷卻器的樣機(jī)，他們希望能把這些冷卻器放到衛(wèi)

3、星上使用。近幾十年來，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(diǎn)。利用光使大的物體冷卻的想法是德國物理學(xué)家晉林希姆在1929年首先提出的。他的想法是當(dāng)物質(zhì)發(fā)射熒光時(shí)，它會(huì)變冷。當(dāng)分子吸收光時(shí)，它的電子就受激。這個(gè)新的狀態(tài)是不穩(wěn)定的，分子必須失去多余的能量。要作到這一點(diǎn)，可通過使分子發(fā)生永久性化學(xué)變化（如拆開一個(gè)鍵），或者是將分子升溫，使它和周圍環(huán)境變熱。多余的能量會(huì)以光的形式離開分子。通過使熒光離開全部能量，比吸收的能量更多，冷卻便可實(shí)現(xiàn)。其方法便是對激光束中光子的能量進(jìn)

4、行挑選，以便它只被材料中那些已經(jīng)具有某種能量的分子所吸收，以首先實(shí)現(xiàn)對這些分子的“加熱”。利用統(tǒng)計(jì)方法可以看到，物質(zhì)中有一小部分分子總是比其他分子溫度高。當(dāng)它們吸收光子時(shí)，它們就受激進(jìn)入更高一級的能態(tài)。在有些材料中這時(shí)熒光會(huì)把分子帶到比它們原來的能級更低，即更“冷”的振動(dòng)態(tài)。離開分子的光于是便比被吸收的光含有更多的能，這種情況被稱為反斯托克斯熒光。在理論上普林希姆的想法很好，但是實(shí)踐起來卻困難重重。主要的難點(diǎn)在于要找到一種合適的熒光材料并把它固定在一個(gè)能讓所有的入射光都被吸收和讓所有的熒光都被放出的“清澈”的固體上。 阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究小組首次做到了利用這種方法使一個(gè)固體冷

5、卻。愛潑斯坦、戈斯內(nèi)爾和他們的同事使高能紅外激光在一個(gè)用鐿（Yb3+）離子“滲雜”的玻璃基質(zhì)上聚集。特地選擇鐿是因?yàn)樗l(fā)熒光的效率高而且電子結(jié)構(gòu)簡單，這樣被吸收的能量作為熱運(yùn)動(dòng)在材料里喪失的機(jī)會(huì)就少些。愛潑斯坦小組在1995年對一塊火柴棍大小的玻璃作實(shí)驗(yàn)時(shí)，作到了熱能的損失率是激光能量的2%，它是在氣體中用多普勒冷卻所能夠達(dá)到的效率的10，000倍。按照戈斯內(nèi)爾的的說法，他們所以獲得成功是因?yàn)椴ＡЩ|(zhì)高度純凈，因而可以作到不會(huì)散射或吸收激光。他說：“值得慶幸的是我們現(xiàn)在制造純凈玻璃供光纖用的能力很強(qiáng)。”這次實(shí)驗(yàn)玻璃的溫度只下降0.3，但當(dāng)他們用光纖代替玻璃塊，并且增加被吸收的激光量時(shí)，他們作到

6、使試樣的溫度冷卻在16的溫度下。在那以后，愛潑斯坦和他的同事用一對新型的鏡子形成一個(gè)空腔，用這方法將他們的技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)和相應(yīng)擴(kuò)大。這對鏡子把一塊直徑約3厘米的摻鐿的玻璃圍在里面，它們能讓鐿的熒光通過，所以能量很容易離開。然而它們會(huì)反射激光束，所以激光速會(huì)在空腔中亂跳從而使冷卻的效率更高。在樣機(jī)的空腔中，摻鐿的玻璃以0.5瓦每秒的速度失去能量?？茖W(xué)家們計(jì)算，假如把空腔加以微調(diào)，它的溫度能冷卻到絕對溫度60度（約213）。 愛潑斯坦十分樂觀，他說“我們年內(nèi)即將有一個(gè)真正的冷卻器?！薄拔覀兊牡谝粋€(gè)合適的市場可能是空間供冷卻衛(wèi)星上靈敏的探測器和電子設(shè)備?！彼懈邷匚矬w能發(fā)出紅外輻射。譬如說，天文學(xué)用

7、的紅外探測器就是這個(gè)問題，因?yàn)闊醿x器所發(fā)出的“噪音”會(huì)淹沒來自天體的信號。所以對紅外探測器械冷卻是極為重要的。迄今為止，使軌道上的探測器冷卻主要是依賴一罐罐的液化氣，它只能使用幾年，承擔(dān)更長期使命的衛(wèi)星可以用機(jī)械熱力泵，但是泵的發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和電磁干擾會(huì)影響紅外傳感器，必須把這些紅外傳感器仔細(xì)地保護(hù)起來。激光冷地器沒有運(yùn)動(dòng)的部件可能是最佳選擇。科羅拉多博爾德的保爾航空航天工業(yè)技術(shù)公司的莫德預(yù)言：“這種冷卻器的冷卻能力很快就能和現(xiàn)在使用的深冷器不相上下。”他的公司正打算把愛潑斯坦的激光冷卻器放到空間。雖然愛潑斯坦和莫德的預(yù)計(jì)十分樂觀，戈斯內(nèi)爾卻更謹(jǐn)慎些。他預(yù)見到宇宙射線空間的高能粒子和輻射，它們總

8、在不斷地轟擊衛(wèi)星由此會(huì)帶來一些意想不到的問題。他說，它們可能會(huì)弄壞鐿或者玻璃，攏亂精細(xì)的光化學(xué)平衡，使重新轉(zhuǎn)化成熱的那部分被吸收的光的比例增加等問題。他警告說：“實(shí)際在空間應(yīng)用還遠(yuǎn)得很，可能還得10年，”但他同時(shí)又說，可以進(jìn)行許多物理學(xué)上有意義的研究。大約和愛潑斯坦最初實(shí)驗(yàn)同時(shí)，倫敦帝國學(xué)院的一個(gè)研究小組也注意到激光冷卻，只不過這是偶然的。化學(xué)家朗布斯和克拉克發(fā)現(xiàn)，通過把紅色激光照射到摻有若丹明染料的聚合物薄膜上可以生成黃色熒光。朗布爾斯說：“當(dāng)我們把聚合物薄膜的溫度降低幾度時(shí)，黃色熒光就消失了，這表明它是被熱分子吸收了?！笔篃岱肿永鋮s意味著這些分子不再能吸光，于是熒光便消失了。當(dāng)科學(xué)家們用一個(gè)含有更多染料液體試樣時(shí)，試樣冷卻了4。朗布爾斯和克拉克找到了一種利用這個(gè)效應(yīng)的方式這一次的作法是倒過來。1995年，他們設(shè)計(jì)并申請一個(gè)靈敏的溫度計(jì)的專利，它是用一根摻雜熒光染料的光纖，一個(gè)激光器和一個(gè)通電的光探測器制成。通過檢測產(chǎn)生出多少熒光，它能測出溫