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1、激光制冷原理与发展现状於林鹏热力学第三定律已阐明绝对零度是无法实现的，尽管我们无法达到绝对零度，但 人类追求接近它的步伐从未停止过。而由此也产生了众多的制冷技术，比如磁制冷技术,蒸汽压缩式制冷等等。而其中最引人瞩目，也是最具有发展前景的技术之一便 是激光制冷技术。我们知道物体的原子总是在不停地做无规则运动，这实际上就是表示物体温度 高低的热运动，即原子运动越激烈，物体温度越高；反之，温度就越低。所以，只要降低 原子运动速度，就能降低物体温度。由此也产生了两种不同的激光制冷思路，其各自的应用范围也不经相同：第一种便是利用反斯托克斯荧光效应来达到制冷目的，这种方法是使用激光冷 却大物体。这种冷却的
2、想法是德国物理学家晋林希姆在1929年首先提出的。他的想法是当物质发射荧光时，它会变冷。当分子吸收光时，它的电子就受激。这个新的 状态是不稳定的，分子必须失去多余的能量。要做到这一点，可通过使分子发生永久 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。多余的能量会 以光的形式离开分子。通过使荧光离开全部能量，比吸收的能量更多，冷却便可实 现。其方法便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，以首先实现对这些分子的加热”利用统计方法可以看到， 物质中有一小部分分子总是比其他分子温度高。当它们吸收光子时，它们就受激进入更高一级的能态。在有些
3、材料中，这时荧光会把分子带到比它们原来的能级更低， 即更 冷”的振动态。离开分子的光于是便比被吸收的光含有更多的能，这种情况被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。因为要使他实现起 来，必须得有四个条件:1.基态与激发态的能量间距要大；2.基态与激发态中的多重态 间的能量间距要小；3.发光介质应有极高的纯净度;4.入射激光应有适当的波长。但 在1946年丄a ndau等人从热力学角度证明了此法的可行性。随之其得到了长足发展。1995年，美国LosAlamos国家实验室Epstein等人首次成功地在固体材料上获得 了实际可测量的制冷效应，实现了 0.3K的温降。
4、1997、1998、1999年,同样采用掺 杂三价镱离子重金属氟化玻璃作为激光介质分别获得了16K,21K,65K的从室温起始的温降。2007年,MIT研究员使用激光制冷技术将一个硬币大小的物体冷却到了 0.8K。由于这种全光性的新型制冷方式具有无振动和噪声、无电磁辐射、体积小、质 量轻、可靠性高等特点，因此反斯托克斯荧光制冷器在军事、航天卫星、微电子、 低温物理与工程等领域具有非常诱人的应用前景。但其也具有制冷效率高，制冷系数小,制造成本高的缺点。第二种便是将制冷对象缩小到原子级别。由于光具有压力 ，光与原子共振时,原 子受到的光压就很大，而在微观层面上，温度是原子运动速度的表征，利用大量的
5、光子 阻碍原子运动，使其减速，从而降低了物体温度。这类激光制冷方式中的一个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。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。利用此原理，当我们把激光器的频率调至略低于某原子的可以吸收的频率照射 原子时，如果原子是向着激光束运动时，则光子的频率增加，而原来
6、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，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。利用多
7、普勒冷却技术，1985年,华裔科学家朱棣文和他的同事用两两相对互相垂 直的六束激光使原子减速，达到了 240uK的超低温。他们让真空中的一束钠原子先 是被迎面而来的激光束阻碍下来，之后把钠原子引进六束激光的交汇处。这六束激 光都比静止钠原子吸收的特征波长长一些。而其效果就是不管钠原子向何方运动，都会遇上具有恰当能量的光子，并被推回到六束激光交汇的区域。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。大家给这种机制 起了一个绰号，叫光学粘胶”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。在1987年，磁光陷阱被做成，其可把原子拉回到陷阱中心。从而使原
8、子被约束在一个很小的区域。但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，可科学家 们却发现冷却的原子温度却低于这个极限温度。于是，又促成了亚多普勒冷却。从此之后，又提出了几种新的冷却方式，如偏振梯度冷却，选择相干布居数囚禁，拉曼跃迁 冷却等，他们所达到的温度都可用uK作为单位了。但这些研究的对象都是原子，美 国耶鲁大学的爱德华舒曼和戴维德米尔,使用了既有技术和几项新技术，把氟化锶 冷冻到仅有几百微开氏度。从而使超低温激光冷却扩展到分子领域。这种激光致冷早期的主要目的是为了精确测量各种原子参数，用于高分辨率激 光光谱和超高精度的量子频标（原子钟，后来成为实现原子玻色-爱因斯坦凝聚的关键 实验方法。目前激光冷却有许多应用，如:原子光学、原子刻蚀、原子钟、玻色-爱因 斯坦凝聚、然后还有最近的超冷分子，其为量子计算机的制造提供了可能性依据。 可以说，激光制冷技术已经发展到一个很高的水平了。激光致冷是21世纪最具有发展前景的学科之一，尽管其现已发展到一个较高的 水平，但还有很多待完善与努力的地方，我们应将其放置在一个很高的高度去认识与 研究，做出更大的突破与贡献。