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1、《热力学·统计物理》论文题目:激光制冷技术学院:理学院专业:应用物理学班级:物理11-01班姓名:霍泊帆学号:23完成时间:2013.5.222激光制冷技术摘要:激光制冷的基本原理及其工作特点和发展历史同时对其发展现状进行分析研究说明激光制冷当前面临的问题并指出其未来的发展和研究方向。关键词:激光制冷反斯托克斯式荧光制冷多普勒制冷技术一、引言激光Laser是“辐射的受激发射的光放大LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation”的简称。自激光问世以来人们大都只
2、注意到了激光的热效应如利用激光产生的高温打孔、焊接、切割钢板等甚至还可以用激光产生更高的温度激发核聚变。但是其实激光也可以制冷这或许会令不少人感到意外。其实早在1985年美国华裔物理学家朱棣文就成功地用激光冷冻了原子从而荣获1997年的诺贝尔物理学奖。二、制冷原理1、多普勒制冷技术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热运动而温度这是表征这种热运动剧烈程度物理量温度越高其热运动越剧烈反之运动越趋平缓。因此我们可以通过降低这些分子或原子的总体上的热运动的剧烈程度来起到制冷的目的。多普勒冷
3、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。2、反斯托克斯荧光制冷技术这是一种正在发展的新概念的制冷方法。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。由光子能量公式E=hυ=hc/λ,其中h为普朗克常数,υ为频率,c为光速,λ为波长。可知由于hc为常数,光子能量与波长成反比。因此在反斯托克斯效应中散射荧光光子能量高于入射光子能量。以反斯托克斯效应为原理的激光制冷正是利用散射与入射光子的能量差来实现制冷效应的。其过程可以简单理解为用低能量的激光光子激发
4、发光介质,发光介质散射出高能量的光子,将发光介质中的原有能量带出介质外,从而产生制冷效应。与传统的制冷方式相比,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是带走热量的载体。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。3、激光如何减小原子的动量首先,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,则此光子的
5、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
6、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2则在光子与原子碰撞之后,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
7、的目的。三、激光制冷发展回顾1、多普勒制冷技术发展回顾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。他们提出的方法就是基于多普勒原理的。1985年,华裔科学家朱棣文和他的同事在美国新泽西州荷尔德尔“Holmdel”的贝尔实验室进一步用两两相对互相垂直的六束激光使原子减速。由六束激光组成的阻尼机制就像某种粘稠的液体,原子陷入其中会不断降低速度。但由于重力的作用,这一现象并为维持多久,因为其并未使原子陷俘。1987年,磁光陷阱被做成,从而有了新的突破,它是用上述六束激光再加上两个线圈
8、组成。线圈产生微小变化的磁场,该磁场最小值处于激光相交的位置,由于塞曼效应。就会产生一个比重力大的力,从而把原子拉回到陷阱中心。从而原子被约束在一个很小的区域。从多普勒激光冷却原理可知,多普勒激光冷却是有一个温度极限的,但是,科学家们
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