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激光制冷的原理 激光为什么能制冷?原来，物体的原子总是在不停地做无规则运动，这实际上是影响物体温度变化的热运动，原子运动越激烈物体的温度越高，反之温度就越低。如果有手段降低原子的运动速度，就能降低物体温度。激光制冷的原理就是利用大量光子阻碍原子运动使其减速，从而降低了物体温度。 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向对原子进行照射，使原子陷于光子海洋中，它的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"，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，一种叫做多普勒冷却的技术一直是用激光冷却材料。由于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的零上百万分之一度。 利用光使大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。他知道，物质发射荧光时会变冷，当分子吸收光时它的电子就受激。而分子的激发状态是不稳定的它会失去多余的能量。如果能够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。多余的能量就会以光的形式离开分子。 通过荧光辐射来减少全部多余的能量，要比受激激发时吸收的能量更多，冷却便可实现。采用的办法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，达到先对这些分子"加热"的目的。 由统计分析方法可知，物质中有一部分分子总是比其它分子的温度要高，当它们吸收了光子就跃迁到更高一级的能态。在有些材料中，这时荧光辐射带走了比光子被时更多的能量，也就是使分子比它们原来的能级更低，处于更"冷"的振动态。这种先被吸收再离开分子的光子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入射光都被吸收且要让所有荧光都被放出的"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采用高能红外激光在一个用镱(Yb3+)离子"渗杂"的玻璃基质上聚集。 他们特地选择镱是因为镱发荧光的效率高，而且它的电子结构简单，那些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只是激光能量的2%。这个效果是在气体中用多普勒冷却所能够达到的效率的10000倍。按照戈斯内尔的说法，他们之所以能够获得成功，是因为玻璃基质高度纯净，可以作到不会散射或吸收激光。 他说他们制造纯净玻璃供光纤用的能力很强，这次用于实验的玻璃的温度只下降0.3℃。当他们用光纤代替玻璃块并且增加被吸收的激光量时，能作到使样本的温度冷却在16℃之下。随后，爱泼斯坦和同事用一对新型的镜子形成一个空腔，使激光技术进一步得到了改进和扩展。 这对镜子通过聚集高能红外激光，把一块直径约3厘米的掺镱玻璃围在里面，但能够让镱的荧光通过，所以能量很容易离开。掺镱玻璃会反射激光束，使激光束在空腔中乱跳，从而使冷却的效率更高。在他们的样机空腔中，掺镱玻璃以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60K(约-213℃)。 1995年爱泼斯坦实现光与热的制冷效应是一个历史性突破。由于该制冷方法具有全光性的独特优点,同时具备制冷器无振动和噪声、无电磁辐射且体积小、质量轻、可靠性高等特点，因而反斯托克斯荧光制冷器在军事、航天卫星、微电子、低温物理以及工程等领域具有诱人的应用前景。 首先，它可能用于空间供冷来冷却卫星上灵敏的探测器和电子设备。我们知道，所有高温物体都发出红外辐射，天文学用的红外探测器就是这个问题，而热仪器所发出的"噪音"会淹没来自天体的信号。因此，对红外探测器械冷却是极为重要的。 迄今为止，在轨探测器冷却主要依赖一罐罐的液化气，它只能使用几年。要承担长期使命的卫星虽然可以用机械热力泵，但泵振动极其电磁干扰会影响红外传感器，这就要求把红外传感器谨慎地保护起来。激光冷却器没有运动部件，它可能是最佳的制冷选择。 虽然预计前景乐观，也要预见到宇宙高能射线粒子的辐射影响。戈斯内尔说，高能粒子或射线可能会弄坏镱或者玻璃，拢乱精细的光化学平衡，导致转化成热的那部分被吸收的光的比例增加等问题。 他认为实现在空间应用还远得很，现在可以进行许多物理学上有意义的研究。 其实，有很多人早就注意到激光冷却。化学家朗布尔斯和克拉克发现，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，这表明热量被“热”分子吸收了，使“热”分子冷却意味着这些分子转化成荧光消失了。当科学家们用一个含有更多染料液体的样本做试验时，样本冷却了4℃。 1995年，朗布尔斯和克拉克设计了一个灵敏温度计：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。通过检测荧光的产生量多少，能够测出温度小到0.2℃的变化。由于它没有金属部件，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。
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