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激光制冷的原理 激光為什么能制冷?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)際上是影響物體溫度變化的熱運(yùn)動(dòng)，原子運(yùn)動(dòng)越激烈物體的溫度越高，反之溫度就越低。如果有手段降低原子的運(yùn)動(dòng)速度，就能降低物體溫度。激光制冷的原理就是利用大量光子阻礙原子運(yùn)動(dòng)使其減速，從而降低了物體溫度。 物體原子運(yùn)動(dòng)的速度通常在約每秒500米左右。長(zhǎng)期以來科學(xué)家一直在尋找使原子相對(duì)靜止的方法。朱棣文采用三束相互垂直的激光從各個(gè)方向?qū)υ舆M(jìn)行照射，使原子陷于光子海洋中，它的運(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"，被"粘"住的原子可以降到幾乎接近絕對(duì)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(guó)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)星上使用，一種叫做多普勒冷卻的技術(shù)一直是用激光冷卻材料。由于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(duì)溫度的零上百萬分之一度。 利用光使大物體冷卻的想法是德國(guó)物理學(xué)家晉林希姆在1929年首先提出的。他知道，物質(zhì)發(fā)射熒光時(shí)會(huì)變冷，當(dāng)分子吸收光時(shí)它的電子就受激。而分子的激發(fā)狀態(tài)是不穩(wěn)定的它會(huì)失去多余的能量。如果能夠使分子發(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。多余的能量就會(huì)以光的形式離開分子。 通過熒光輻射來減少全部多余的能量，要比受激激發(fā)時(shí)吸收的能量更多，冷卻便可實(shí)現(xiàn)。采用的辦法是對(duì)激光束中光子的能量進(jìn)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，達(dá)到先對(duì)這些分子"加熱"的目的。 由統(tǒng)計(jì)分析方法可知，物質(zhì)中有一部分分子總是比其它分子的溫度要高，當(dāng)它們吸收了光子就躍遷到更高一級(jí)的能態(tài)。在有些材料中，這時(shí)熒光輻射帶走了比光子被時(shí)更多的能量，也就是使分子比它們?cè)瓉淼哪芗?jí)更低，處于更"冷"的振動(dòng)態(tài)。這種先被吸收再離開分子的光子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)能讓所有入射光都被吸收且要讓所有熒光都被放出的"清澈"的固體上。 阿拉莫斯國(guó)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)固體冷卻。愛潑斯坦、戈斯內(nèi)爾和他們的同事采用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。 他們特地選擇鐿是因?yàn)殍O發(fā)熒光的效率高，而且它的電子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，那些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(duì)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只是激光能量的2%。這個(gè)效果是在氣體中用多普勒冷卻所能夠達(dá)到的效率的10000倍。按照戈斯內(nèi)爾的說法，他們之所以能夠獲得成功，是因?yàn)椴ＡЩ|(zhì)高度純凈，可以作到不會(huì)散射或吸收激光。 他說他們制造純凈玻璃供光纖用的能力很強(qiáng)，這次用于實(shí)驗(yàn)的玻璃的溫度只下降0.3℃。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)，能作到使樣本的溫度冷卻在16℃之下。隨后，愛潑斯坦和同事用一對(duì)新型的鏡子形成一個(gè)空腔，使激光技術(shù)進(jìn)一步得到了改進(jìn)和擴(kuò)展。 這對(duì)鏡子通過聚集高能紅外激光，把一塊直徑約3厘米的摻鐿玻璃圍在里面，但能夠讓鐿的熒光通過，所以能量很容易離開。摻鐿玻璃會(huì)反射激光束，使激光束在空腔中亂跳，從而使冷卻的效率更高。在他們的樣機(jī)空腔中，摻鐿玻璃以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(duì)溫度60K(約-213℃)。 1995年愛潑斯坦實(shí)現(xiàn)光與熱的制冷效應(yīng)是一個(gè)歷史性突破。由于該制冷方法具有全光性的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),同時(shí)具備制冷器無振動(dòng)和噪聲、無電磁輻射且體積小、質(zhì)量輕、可靠性高等特點(diǎn)，因而反斯托克斯熒光制冷器在軍事、航天衛(wèi)星、微電子、低溫物理以及工程等領(lǐng)域具有誘人的應(yīng)用前景。 首先，它可能用于空間供冷來冷卻衛(wèi)星上靈敏的探測(cè)器和電子設(shè)備。我們知道，所有高溫物體都發(fā)出紅外輻射，天文學(xué)用的紅外探測(cè)器就是這個(gè)問題，而熱儀器所發(fā)出的"噪音"會(huì)淹沒來自天體的信號(hào)。因此，對(duì)紅外探測(cè)器械冷卻是極為重要的。 迄今為止，在軌探測(cè)器冷卻主要依賴一罐罐的液化氣，它只能使用幾年。要承擔(dān)長(zhǎng)期使命的衛(wèi)星雖然可以用機(jī)械熱力泵，但泵振動(dòng)極其電磁干擾會(huì)影響紅外傳感器，這就要求把紅外傳感器謹(jǐn)慎地保護(hù)起來。激光冷卻器沒有運(yùn)動(dòng)部件，它可能是最佳的制冷選擇。 雖然預(yù)計(jì)前景樂觀，也要預(yù)見到宇宙高能射線粒子的輻射影響。戈斯內(nèi)爾說，高能粒子或射線可能會(huì)弄壞鐿或者玻璃，攏亂精細(xì)的光化學(xué)平衡，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化成熱的那部分被吸收的光的比例增加等問題。 他認(rèn)為實(shí)現(xiàn)在空間應(yīng)用還遠(yuǎn)得很，現(xiàn)在可以進(jìn)行許多物理學(xué)上有意義的研究。 其實(shí)，有很多人早就注意到激光冷卻?；瘜W(xué)家朗布爾斯和克拉克發(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，這表明熱量被“熱”分子吸收了，使“熱”分子冷卻意味著這些分子轉(zhuǎn)化成熒光消失了。當(dāng)科學(xué)家們用一個(gè)含有更多染料液體的樣本做試驗(yàn)時(shí)，樣本冷卻了4℃。 1995年，朗布爾斯和克拉克設(shè)計(jì)了一個(gè)靈敏溫度計(jì)：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(cè)器制成。通過檢測(cè)熒光的產(chǎn)生量多少，能夠測(cè)出溫度小到0.2℃的變化。由于它沒有金屬部件，極適合在金屬腐蝕的環(huán)境中使用。 朗布爾斯預(yù)見到激光冷卻還有其他用途，例如供光學(xué)運(yùn)算的組件使用。
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