1、激光制冷的發展與應用物理學121001105王連斌激光制冷的發展與應用隨著科技的進步和人們生活水平的不斷提高，與國計民生息息相關的制冷空調行業也面臨著新的機遇和挑戰，傳統的制冷方式也逐漸暴露出其缺點和不足，尤其是限制破壞臭氧層物質和溫室效應氣體相關協定的出臺，對蒸汽壓縮式制冷方式提出了嚴峻的考驗。不管是超導還是BEC,超低溫都是其必不可少的條件。從熱力學開創至發展以來。絕對零度一直是一個可望而不可及的溫度，盡管我們不可達到，但我們都試圖去接近它。不僅是在熱力學，在其他領域，絕對零度都是一個很值得去深究的問題。我們通過一些超低溫實驗來驗證或者發現某些規律。而激光制冷具有無振動、無噪聲、無電磁輻射

2、、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長、環保等優點，是我們努力研究的制冷方向，是通向超低溫領域的一個必不可少的途徑。一、激光制冷原理激光制冷原理有兩種：多普勒制冷技術和反斯托克斯熒光制冷技術。1 .溫度是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度。眾所周知，我們周圍的一切分子和原子都在進行著永不停息的無規則的熱運動。而我們制冷的實質就是降低這些分子或原子的總體上的熱運動的劇烈程度。激光制冷中的一個很重要的技術就是多普勒冷卻技術，多普勒冷卻技術的原理就是通過激光發出光子來阻礙原子的熱運動，而這個阻礙過程則是通過減小原子的動量來實現的。那么，激光究竟是如何來減小這些原子的動量呢？首

3、先，量子力學提出，原子只能吸收特定頻率的光子，從而改變其動量。多普勒效應指出，波在波源移向觀察者時頻率變高，而在波源遠離觀察者時頻率變低。當觀察者移動時也能得到同樣的結論。同樣，對于原子也是如此，當原子的運動方向與光子運動相反時，則此光子的頻率將增大，而當原子運動方向于此光子運動方向相同時，則此光子頻率將減小。然后的話，另一個物理學原理就是光雖然沒有靜質量，但其具有動量。那么綜合以上幾個個物理學特性，我們就能構建出激光冷卻的簡單模型。激光器的頻率在一定范圍內是可調的，而把激光器的頻率調至略低于某原子的可以吸收的頻率時，就會有意想不到的結果。當用這樣一束光照射某一特定的原子時，就會發生這樣的情況

4、。如果原子是向著激光束運動時，由于光的多普勒效應，則光子的頻率增加，而原來激光光子的頻率剛好是略小于原子的可吸收的頻率，則此時由于多普勒效應則剛好被原子吸收。而這一吸收表現為動量改變。因為光子的運動方向與原子的運動方向相反，則在光子與原子碰撞之后，原子躍遷到激發態，并且動量減小，故動能也隨之減小。而對于其他運動方向的原子，則其對應的光子的頻率不會增加，所以不能吸收激光束中的光子，所以也不會有動量增加這一現象的發生，相對于動能來講也是一樣。當我們用多束激光從不同角度來照射原子，則在不同運動方向上的原子的動量都會減小，從而動能減小。而由于在激光只減小原子的動量，所以在此過程持續一段時間后，大多數的

5、原子的動量就會達到一個很低的水準，從而達到制冷的目的。但此技術所應用的范圍大多是用于原子冷卻，而對于分子，這種方法很難將其冷卻到超低溫。但超冷分子比超冷原子的意義更大，因為其屬性更為復雜。目前，冷卻分子的方法是將超冷堿原子結合在一起，產生雙堿分子。不久之前，耶魯大學就曾經將氟化鍬(SrF)冷卻到幾百微開。2 .另一種激光制冷也稱反斯托克斯熒光制冷(AntistokesFluorescentCooling),是正在發展的新概念的制冷方法其基本原理是反斯托克斯效應，利用散射與入射光子的能量差實現制冷。反斯托克斯效應是一種特殊的散射效應，具散射熒光光子波長比入射光子波長短因此，散射熒光光子能量高于入

6、射光子能量，具過程可簡單理解為：用低能量激光光子激發發光介質，發光介質散射出高能量的光子，將發光介質中的原有能量帶出介質而制冷。與傳統制冷方式相比，激光起到了提供制冷動力的作用，而散射出的反斯托克斯熒光則是熱量載體。由于制冷材料對泵浦光的吸收有限，激光冷卻材料一般含有雜質離子如Cu2+Co2+Cr3+,雜質中心會導致熒光猝滅和非輻射的多聲子馳豫振蕩和競爭，從而導致制冷效率降低，當前試驗效率均不高于3%目前國內外研究主要集中在：進一步深化理論研究，尋找更適合能級結構的原子離子或其他基團，作為制冷元件的熒光中心，以提高制冷循環的制冷量和制冷系數；優化光路設計，提高激光利用率；提高介質純度，減少雜質

7、引起的制冷消耗；改進系統設計，提高系統絕熱系數，優化系統整體結構。二、激光制冷的發展1 .普勒激光制冷的發展1975年，T.W.Hansch和A.L.Schawlow首先建議用相向傳播的激光束使中性原子冷卻。他們的方法是：把激光束調諧到略低于原子的諧振躍遷頻率，利用多普勒原理就可使中性原子冷卻。1985年，華裔科學家朱棣文和他的同事在美國新澤西州荷爾德爾(Holmdel)的貝爾實驗室進一步用兩兩相對互相垂直的六束激光使原子減速。他們讓真空中的一束鈉原子先是被迎面而來的激光束阻礙下來，之后把鈉原子引進六束激光的交匯處。這六束激光都比靜止鈉原子吸收的特征波長長一些。而其效果就是不管鈉原子向何方運動

8、，都會遇上具有恰當能量的光子，并被推回到六束激光交匯的區域。從而在這個小區域里，聚集了大量的冷卻下來的原子，組成了肉眼看去像是豌豆大小的發光的氣團。由六束激光組成的阻尼機制就像某種粘稠的液體，原子陷入其中會不斷降低速度。大家給這種機制起了一個綽號，叫光學粘膠但由于重力的作用，這一現象并為維持多久，因為其并未使原子陷俘。1987年，磁光陷阱被做成，從而有了新的突破，它是用上述六束激光再加上兩個線圈組成。線圈產生微小變化的磁場，該磁場最小值處于激光相交的位置，由于塞曼效應。就會產生一個比重力大的力，從而把原子拉回到陷阱中心。從而原子被約束在一個很小的區域。以便科學研究。亞多普勒冷卻從多普勒激光冷卻

9、原理可知，多普勒激光冷卻是有一個溫度極限的，但是，科學家們卻發現冷卻的原子溫度卻低于這個極限溫度。于是，又產生了亞多普勒冷卻。1988年初，菲利普斯和他在美國國家標準技術院的小組研究了在光學粘膠中緩慢運動的中性鈉原子冷云團。他們發現，原子的溫度約為40pK,比預計的多普勒極限240pK低得多。他們還發現，最低的溫度是在與理論多普勒極限的條件相矛盾的條件下得到的。之后，科學家們便作出了產生這一現象的理論解釋。原來多普勒冷卻和多普勒極限的理論是假設原子具有簡單的二能級譜?？墒菍嶋H上真正的鈉原子都具有好幾個塞曼子能級，不但在基態，而且在激發態也是如此?；鶓B子能級可以用光泵方法激發，也就是說，激光能夠

10、把鈉原子轉變為按子能級布居的不同分布，并引起新的冷卻機制。這種布居分布的細節依賴于激光的偏振態，而在光學粘膠中，在光學波長量級的距離里偏振態會發生快速的變化。故而，人們將這種新的冷卻機制稱為偏振梯度冷卻”。1989年，菲利普斯訪問巴黎，他與高等師范學院的小組合作，共同證明了中性葩原子可以冷卻到2.5Ko他們發現，和多普勒冷卻一樣，其它類型的激光冷卻也有相應的極限。以從單個光子反沖而得的速度運動的一團原子所相當的溫度就叫反沖極限。之后為了突破這一極限，法國的研究小組和美國斯坦福大學的研究小組分別提出了速度選擇相干布居數囚禁(VSCPT,VelocitySelectiveCoherentPopul

11、ationTrapping)和拉曼躍遷冷去(RamanCooling)的冷去方案。2010年，科學家使用激光，把分子冷凍到接近絕對零度，這是單分子激光制冷首次達到這樣的低溫。向控制物質化學物理過程，制造量子計算機邁進了一大步。上世紀七八十年代，物理學家就能將原子冷卻到非常接近絕對零度的低溫?；驹砭褪怯眉す庾饔迷谠由鲜怪疁p速。當原子被冷凍到接近絕對零度時，它們就會遵守特殊的量子力學定律。在與它們的低能級相應的狀態下振動，這被用作超敏加速計和量子鐘，原子本身也會粘在一起形成一種超級原子”，這就是著名的玻色一愛因斯坦凝聚對分子制冷要比對單個原子更加復雜。原子可以通過激光來制冷，因為來自激光束的

12、光粒子被吸收后，原子會重新發出一個光子，從而減少動能。經過上千次這種反應滯后，原子就被冷凍在絕對零度附近十億分之幾的范圍內。但分子比原子更重，更難對激光起反應。而且，分子會以原子鍵和旋轉、自旋的方式儲存能量，這些因素都讓分子很難變冷。2 .反斯托克斯熒光制冷的發展早在1929年，PPringsheim就提出通過反斯托克斯熒光對材料進行制冷的設想，但遭到SV當日咯烷等人的強烈反對。其后，他與反對派物理學家SVdrilow等人進行了長達16年的論戰，論戰的焦點主要在于該制冷方法是否違背熱力學的基本原理。1946年著名的物理學家LLandan利用熱力學的基本原理，吧發光物體與光組成的系統作為熱力學研

13、究對象，證明了利用激光制冷是可能的。1950年，法國學者AlfredKastler發現了“Luminocaloric效應。他緊緊報道了實驗中系統溫度升高的速度變小，沒能觀察到系統的溫度降低。1995年，美國LosAlamos國家實驗室空間制冷技術研究組的Epstein及同事首次通過激光誘導反斯托克斯熒光在固體材料上成功地獲得可測量的制冷量。1999年，低溫物理學家EFinkeipen利用摻雜藍寶石激光器激發GaAs/GaAlAs半導體量子阱材料的空穴激子，實現空穴激子的反斯托克斯熒光發射，給出了不同溫度下制冷效率與制冷溫度的關系。中國科學院激發態物理開放實驗室的科研人員在理論研究中，先后提出了

14、反斯托克斯熒光制冷的單中心制冷物理模型、能量傳遞模型及雙機制并行的物理模型。三、激光制冷應用與展望首先，得介紹一下，在二十世紀七八十年代以后，科學家們在實驗室能夠達到的最低溫度可用pK作單位的溫度了?？上攵?，激光冷卻與我們科學研究的意義。激光制冷的優點是可冷卻溫度低，但其也有局限性，因為其可冷卻空間極小。激光制冷技術早期的主要目的是為了精確測量各種原子參數，用于高分辨率激光光譜和超高精度的量子頻標（原子鐘），后來成為實現原子玻色-愛因斯坦凝聚的關鍵實驗方法。雖然早在20世紀初人們就注意到光對原子有輻射壓力作用，只是在激光器發明之后，才發展了利用光壓改變原子速度的技術。激光冷卻有許多應用，如：

15、原子光學、原子刻蝕、原子鐘、光學晶格、光銀子、玻色-愛因斯坦凝聚、費米子凝聚態、原子激光、高分辨率光譜以及光和物質的相互作用的基礎研究等等。然后還有最近的超冷分子，其為量子計算機的制造提供了可能性依據。玻色-愛因斯坦凝聚提到激光制冷就不得不提到BEC(Bose-Einsteincondensation)玻色-愛因斯坦凝聚。早在1924年印度物理學家玻色提出以不可分辨的n個全同粒子的新觀念，并且將這篇論文寄給了愛因斯坦，進過對這一問題進行研究之后，預言當這類原子的溫度足夠低時，會有相變-新的物質狀態產生，所有的原子會突然聚集在一種盡可能低的能量狀態，這就是我們所說的玻色-愛因斯坦凝聚。但由于一直

16、無法使物質接近接近絕對零度，從而一直未觀察到此狀態。之后，從20世紀90年代以年來，由于大家所熟知的三位物理學家(Chu(朱棣文)，Cohen,Phillips)的杰出工作，激光冷卻與囚禁中性原子技術得到了極大發展，為玻色-愛因斯坦凝聚奇跡的實現提供了條件。直到1995年，人們從實驗室獲得了這一狀態。由于BEC的種種性質，我們可以利用BEC的這些特殊狀態做出些通常物質無法做到的東西。這些原子組成的集體步調非常一致，因此內部沒有任何阻力。激光就是光子的玻愛凝聚，在一束細小的激光里擁擠著非常多的顏色和方向一致的光子流。超導和超流也都是玻愛凝聚的結果。又比如說原子凝聚體中的原子幾乎不動，可以用來設計

17、精確度更高的原子鐘，以應用于太空航行和精確定位等。玻愛凝聚態的原子物質表現出了光子一樣的特性正是利用這種特性，前年哈佛大學的兩個研究小組用玻色-愛因斯坦凝聚體使光的速度降為零，將光儲存了起來。除此之外，原子激光也是BEC產物。而且與此相對的費米子凝聚態也是通過BEC達到，其將促進人們對超導的研究。然而促成這一切的就是激光制冷。超冷分子這種超冷分子有助于科學家研究量子力學的化學屬性。超低溫度下，極性分子可被看作是微小的磁體，有著南北兩極，研究人員可利用這一性質，構建一個反應系統，讓極冷粒子在其中相互反應，而這用超冷原子是做不到的。研究人員表示，最終超冷材料將應用在量子計算機上。由于超冷分子具有磁

18、體特征，這意味著分子之間能通過磁場互相反應。使它們能執行分類量子計算，可能會突破現有計算機的編碼和解碼問題，實現量子重疊與牽連原理產生的巨大計算能力。這是當前最大的超級計算機由于物理化學方面的限制而無法實現的。量子計算機(quantumcomputer)是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機是通過量子分裂式、量子修補式來進行一系列的大規模高精確度的運算的。具浮點運算性能是普通家用電腦的CPU所無法比擬的，量子計算機大規模運算的方式其實就類似于普通電腦的批處理程序，其運算方式簡單來說就是通過大量的量子分裂，再進行高速的量子修補，但是其精確度和速度也是普通電腦望塵莫及的。大規模集成電路對于大規模或超大規模集成電路來說由于內部的電子元件數量巨大，往往發熱都非常嚴重。對其制冷后，它可以在85c以下正常工作，工作溫度相對來說比較高。而較高的工作溫度對于熒光制冷意味著比較高的制冷效率。空間遙感領域目前空間探測器上普遍使用的致冷方式主要有：輻射致冷，固體致冷，機械致冷等，但由于空間環境的特殊性，空間致冷必須具備質量輕，體積小，壽命長，低