激光制冷的原理

bomoaa

早在1985年，美国华裔物理学家朱棣文就成功地用滋光冷冻了原子，从而荣获1997年的诺贝尔物理学奖。    激光为什么能制冷呢？原来，物体的 原子总是在不停地做无规则运动，这实际上就是表示物体温度高低的热运动，即原子运动越激烈，物体温度越高；反之，温度就越低。所以，只要降低原子运动速 度，就能降低物体温度。徽光制冷的原理就是利用大量的光子阻碍原子运动，使其减速，从而降低了物体温度。   自1995年epstein实现了光与热的制冷效应的历史性突破以来 ,由于该制冷方法具有全光性的独特优点 ,同时制备的制冷器具有无振动和噪声、无电磁辐射、体积小、质量轻、可靠性高等特点 ,因此反斯托克斯荧光制冷器在军事、航天卫星、微电子、低温物理与工程等领域具有非常诱人的应用前景。    物体原子运动的速度通常 在约每秒500米左右。长期以来，科学家一直在寻找使原子相对静止的方法。朱棣文采用三束相互垂直的激光，从各个方面对原子进行照射，使原子陷于光子海洋 中，运动不断受到阻碍而减速。激光的这种作用被形象地称为“光学粘胶”。在试验中，被“粘”住的原子可以降到几乎接近绝对零度的低温。　　激光能把材料中的热量逐渐排出，直至这些材料像冰冻的冥王星一样冷。美国的科学家已经研制出激光冷却器的样机，他们希望能把这些冷却器放到卫星上使用。近几十年来，一种叫做多普勒冷却的技术一直在用激光冷却材料，利用光子使原子减速。能量从原子到光子的转换能使原子冷却到绝对温度零上百万分之一度弱。但是只是在极小的尺寸上才能作到这一点。　　利用光使大的物体冷却的想法是德国物理学家晋林希姆在1929年首先提出的。他的想法是当物质发射荧光时，它会变冷。当分子吸收光时，它的电子就受激。这个新的状态是不稳定的，分子必须失去多余的能量。要作到这一点，可通过使分子发生永久性化学变化（如拆开一个键），或者是将分子升温，使它和周围环境变热。多余的能量会以光的形式离开分子。　　通过使荧光离开全部能量，比吸收的能量更多，冷却便可实现。其方法便是对激光束中光子的能量进行挑选，以便它只被材料中那些已经具有某种能量的分子所吸收，以首先实现对这些分子的“加热”。　　利用统计方法可以看到，物质中有一小部分分子总是比其他分子温度高。当它们吸收光子时，它们就受激进入更高一级的能态。在有些材料中这时荧光会把分子带到比它们原来的能级更低，即更“冷”的振动态。离开分子的光于是便比被吸收的光含有更多的能，这种情况被称为反斯托克斯荧光。　　在理论上普林希姆的想法很好，但是实践起来却困难重重。主要的难点在于要找到一种合适的荧光材料并把它固定在一个能让所有的入射光都被吸收和让所有的荧光都被放出的“清澈”的固体上。 　　阿拉莫斯国家实验室的一个研究小组首次做到了利用这种方法使一个固体冷却。爱泼斯坦、戈斯内尔和他们的同事使高能红外激光在一个用镱（Yb3+）离子“渗杂”的玻璃基质上聚集。　　特地选择镱是因为它发荧光的效率高而且电子结构简单，这样被吸收的能量作为热运动在材料里丧失的机会就少些。　　爱泼斯坦小组在1995年对一块火柴棍大小的玻璃作实验时，作到了热能的损失率是激光能量的2%，它是在气体中用多普勒冷却所能够达到的效率的10，000倍。按照戈斯内尔的的说法，他们所以获得成功是因为玻璃基质高度纯净，因而可以作到不会散射或吸收激光。　　他说：“值得庆幸的是我们现在制造纯净玻璃供光纤用的能力很强。”这次实验玻璃的温度只下降0.3℃，但当他们用光纤代替玻璃块，并且增加被吸收的激光量时，他们作到使试样的温度冷却在16℃的温度下。在那以后，爱泼斯坦和他的同事用一对新型的镜子形成一个空腔，用这方法将他们的技术进一步改进和相应扩大。　　这对镜子把一块直径约3厘米的掺镱的玻璃围在里面，它们能让镱的荧光通过，所以能量很容易离开。然而它们会反射激光束，所以激光速会在空腔中乱跳从而使冷却的效率更高。在样机的空腔中，掺镱的玻璃以0.5瓦每秒的速度失去能量。　　科学家们计算，假如把空腔加以微调，它的温度能冷却到绝对温度60度（约―213℃）。 爱泼斯坦十分乐观，他说“我们年内即将有一个真正的冷却器。”　“我们的第一个合适的市场可能是空间──供冷却卫星上灵敏的探测器和电子设备。”所有高温物体能发出红外辐射。譬如说，天文学用的红外探测器就是这个问题，因为热仪器所发出的“噪音”会淹没来自天体的信号。所以对红外探测器械冷却是极为重要的。　　迄今为止，使轨道上的探测器冷却主要是依赖一罐罐的液化气，它只能使用几年，承担更长期使命的卫星可以用机械热力泵，但是泵的发动机的振动和电磁干扰会影响红外传感器，必须把这些红外传感器仔细地保护起来。激光冷地器没有运动的部件可能是最佳选择。　　科罗拉多博尔德的保尔航空航天工业技术公司的莫德预言：“这种冷却器的冷却能力很快就能和现在使用的深冷器不相上下。”他的公司正打算把爱泼斯坦的激光冷却器放到空间。　　虽然爱泼斯坦和莫德的预计十分乐观，戈斯内尔却更谨慎些。他预见到宇宙射线──空间的高能粒子和辐射，它们总在不断地轰击卫星由此会带来一些意想不到的问题。他说，它们可能会弄坏镱或者玻璃，拢乱精细的光化学平衡，使重新转化成热的那部分被吸收的光的比例增加等问题。　　他警告说：“实际在空间应用还远得很，可能还得10年，”但他同时又说，可以进行许多物理学上有意义的研究。大约和爱泼斯坦最初实验同时，伦敦帝国学院的一个研究小组也注意到激光冷却，只不过这是偶然的。　　化学家朗布斯和克拉克发现，通过把红色激光照射到掺有若丹明染料的聚合物薄膜上可以生成黄色荧光。　　朗布尔斯说：“当我们把聚合物薄膜的温度降低几度时，黄色荧光就消失了，这表明它是被‘热’分子吸收了。”使‘热’分子冷却意味着这些分子不再能吸光，于是荧光便消失了。当科学家们用一个含有更多染料液体试样时，试样冷却了4℃。　　朗布尔斯和克拉克找到了一种利用这个效应的方式──这一次的作法是倒过来。1995年，他们设计并申请一个灵敏的温度计的专利，它是用一根掺杂荧光染料的光纤，一个激光器和一个通电的光探测器制成。通过检测产生出多少荧光，它能测出温度小到0.2℃的变化。由于它没有金属部件，它极适合在金属腐蚀的环境中使用。　　朗布尔斯预见到激光冷却还有其他用途，例如供光学运算的组件使用。他相信最终会有供光学运算用的稳步的能自动调节的材料。由于具备这方面的能力，激光冷却器的前景将是光明的，甚至是光芒四射的。