激光制冷的发展与应用

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1、激光制冷的发展与应用物理学121001105王连斌激光制冷的发展与应用　　　随着科技的进步和人们生活水平的不断提高，与国计民生息息相关的制冷空调行业也面临着新的机遇和挑战，传统的制冷方式也逐渐暴露出其缺点和不足，尤其是限制破坏臭氧层物质和温室效应气体相关协定的出台，对蒸汽压缩式制冷方式提出了严峻的考验。　　不管是超导还是BEC，超低温都是其必不可少的条件。从热力学开创至发展以来。绝对零度一直是一个可望而不可及的温度，尽管我们不可达到，但我们都试图去接近它。不仅是在热力学，在其他领域，绝对零度都是一个很值得去深究的问

2、题。我们通过一些超低温实验来验证或者发现某些规律。而激光制冷具有无振动、无噪声、无电磁辐射、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、环保等优点，是我们努力研究的制冷方向，是通向超低温领域的一个必不可少的途径。　　一、激光制冷原理　　激光制冷原理有两种：多普勒制冷技术和反斯托克斯荧光制冷技术。　　1.温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。众所周知，我们周围的一切分子和原子都在进行着永不停息的无规则的热运动。而我们制冷的实质就是降低这些分子或原子的总体上的热运动的剧烈程度。　　激光制冷中的一个

3、很重要的技术就是多普勒冷却技术，多普勒冷却技术的原理就是通过激光发出光子来阻碍原子的热运动，而这个阻碍过程则是通过减小原子的动量来实现的。那么，激光究竟是如何来减小这些原子的动量呢？　　首先，量子力学提出，原子只能吸收特定频率的光子，从而改变其动量。多普勒效应指出，波在波源移向观察者时频率变高，而在波源远离观察者时频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。同样，对于原子也是如此，当原子的运动方向与光子运动相反时，则此光子的频率将增大，而当原子运动方向于此光子运动方向相同时，则此光子频率将减小。然后的话，另一个物理

4、学原理就是光虽然没有静质量，但其具有动量。那么综合以上几个个物理学特性，我们就能构建出激光冷却的简单模型。　　激光器的频率在一定范围内是可调的，而把激光器的频率调至略低于某原子的可以吸收的频率时，就会有意想不到的结果。当用这样一束光照射某一特定的原子时，就会发生这样的情况。如果原子是向着激光束运动时，由于光的多普勒效应，则光子的频率增加，而原来激光光子的频率刚好是略小于原子的可吸收的频率，则此时由于多普勒效应则刚好被原子吸收。而这一吸收表现为动量改变。因为光子的运动方向与原子的运动方向相反，则在光子与原子碰撞之后，

5、原子跃迁到激发态，并且动量减小，故动能也随之减小。而对于其他运动方向的原子，则其对应的光子的频率不会增加，所以不能吸收激光束中的光子，所以也不会有动量增加这一现象的发生，相对于动能来讲也是一样。当我们用多束激光从不同角度来照射原子，则在不同运动方向上的原子的动量都会减小，从而动能减小。而由于在激光只减小原子的动量，所以在此过程持续一段时间后，大多数的原子的动量就会达到一个很低的水准，从而达到制冷的目的。　　但此技术所应用的范围大多是用于原子冷却，而对于分子，这种方法很难将其冷却到超低温。但超冷分子比超冷原子的意义更

6、大，因为其属性更为复杂。目前，冷却分子的方法是将超冷碱原子结合在一起，产生双碱分子。不久之前，耶鲁大学就曾经将氟化锶（SrF）冷却到几百微开。　　2.另一种激光制冷也称反斯托克斯荧光制冷(AntistokesFluorescentCooling)，是正在发展的新概念的制冷方法其基本原理是反斯托克斯效应，利用散射与入射光子的能量差实现制冷。反斯托克斯效应是一种特殊的散射效应，其散射荧光光子波长比入射光子波长短因此，散射荧光光子能量高于入射光子能量，其过程可简单理解为：用低能量激光光子激发发光介质，发光介质散射出高能量

7、的光子，将发光介质中的原有能量带出介质而制冷。与传统制冷方式相比，激光起到了提供制冷动力的作用，而散射出的反斯托克斯荧光则是热量载体。　　由于制冷材料对泵浦光的吸收有限，激光冷却材料一般含有杂质离子如Cu2+Co2+Cr3+，杂质中心会导致荧光猝灭和非辐射的多声子驰豫振荡和竞争，从而导致制冷效率降低，当前试验效率均不高于3%　　目前国内外研究主要集中在：　　①进一步深化理论研究，寻找更适合能级结构的原子离子或其他基团，作为制冷元件的荧光中心，以提高制冷循环的制冷量和制冷系数；　　②优化光路设计，提高激光利用率；　　

8、③提高介质纯度，减少杂质引起的制冷消耗；　　④改进系统设计，提高系统绝热系数，优化系统整体结构。　　二、激光制冷的发展　　1.普勒激光制冷的发展　　1975年，T.W.Hānsch和A.L.Schawlow首先建议用相向传播的激光束使中性原子冷却。他们的方法是：把激光束调谐到略低于原子的谐振跃迁频率，利用多普勒原理就可使中性原子冷却。　　1985年，华裔科学