1985年，美國華裔物理學家朱棣文應用激光冷凍原子實現(xiàn)了低溫環(huán)境，他

因這一發(fā)明榮獲1997年的諾貝爾物理學獎。


    激光為什么能制冷?原來，物體的原子總是在不停地做無規(guī)則運動，這實

際上是影響物體溫度變化的熱運動，原子運動越激烈物體的溫度越高，反之

溫度就越低。如果有手段降低原子的運動速度，就能降低物體溫度。激光制

冷的原理就是利用大量光子阻礙原子運動使其減速，從而降低了物體溫度。


    物體原子運動的速度通常在約每秒500米左右。長期以來科學家一直在尋

找使原子相對靜止的方法。朱棣文采用三束相互垂直的激光從各個方向?qū)υ?/span>

子進行照射，使原子陷于光子海洋中，它的運動不斷受到阻礙而減速。激光

的這種作用被形象地稱為"光學粘膠"，被"粘"住的原子可以降到幾乎接近絕

對零度的低溫。


    激光能把材料中的熱量逐漸排出直至這些材料像冰凍的冥王星一樣冷。美

國的科學家已經(jīng)研制出激光冷卻器的樣機，他們希望能把這些冷卻器放到衛(wèi)

星上使用，一種叫做多普勒冷卻的技術一直是用激光冷卻材料。由于利用光

子使原子減速，能量從原子到光子的轉(zhuǎn)換能使原子冷卻到絕對溫度的零上百

萬分之一度。


    利用光使大物體冷卻的想法是德國物理學家晉林希姆在1929年首先提出的

。他知道，物質(zhì)發(fā)射熒光時會變冷，當分子吸收光時它的電子就受激。而分

子的激發(fā)狀態(tài)是不穩(wěn)定的它會失去多余的能量。如果能夠使分子發(fā)生永久

性化學變化(如拆開一個鍵)，或者是將分子升溫使它和周圍環(huán)境變熱。多余

的能量就會以光的形式離開分子。


    通過熒光輻射來減少全部多余的能量，要比受激激發(fā)時吸收的能量更多，

冷卻便可實現(xiàn)。采用的辦法是對激光束中光子的能量進行挑選，以便它只被

材料中那些已經(jīng)具有某種能量的分子所吸收，達到先對這些分子"加熱"的目

的。


    由統(tǒng)計分析方法可知，物質(zhì)中有一部分分子總是比其它分子的溫度要高，

當它們吸收了光子就躍遷到更高一級的能態(tài)。在有些材料中，這時熒光輻射

帶走了比光子被時更多的能量，也就是使分子比它們原來的能級更低，處于更"冷"的振動態(tài)。這種先被吸收再離開分子的光子稱為反斯托克斯熒光。


    在理論上普林希姆的想法很好，但是實踐起來卻困難重重。主要的難點在

于要找到一種合適的熒光材料并把它固定在一個能讓所有入射光都被吸收且

要讓所有熒光都被放出的"清澈"的固體上。


    阿拉莫斯國家實驗室的一個研究小組首次做到了利用這種方法使一個固體

冷卻。愛潑斯坦、戈斯內(nèi)爾和他們的同事采用高能紅外激光在一個用鐿(Yb3

+)離子"滲雜"的玻璃基質(zhì)上聚集。


    他們特地選擇鐿是因為鐿發(fā)熒光的效率高，而且它的電子結構簡單，那些

被吸收的能量作為熱運動在材料里喪失的機會就少些。


    愛潑斯坦小組在1995年對一塊火柴棍大小的玻璃作實驗時，作到了熱能的

損失率只是激光能量的2%。這個效果是在氣體中用多普勒冷卻所能夠達到

的效率的10000倍。按照戈斯內(nèi)爾的說法，他們之所以能夠獲得成功，是因

為玻璃基質(zhì)高度純凈，可以作到不會散射或吸收激光。


    他說他們制造純凈玻璃供光纖用的能力很強，這次用于實驗的玻璃的溫度

只下降0.3℃。當他們用光纖代替玻璃塊并且增加被吸收的激光量時，能作到

使樣本的溫度冷卻在16℃之下。隨后，愛潑斯坦和同事用一對新型的鏡子形

成一個空腔，使激光技術進一步得到了改進和擴展。


    這對鏡子通過聚集高能紅外激光，把一塊直徑約3厘米的摻鐿玻璃圍在里面

，但能夠讓鐿的熒光通過，所以能量很容易離開。摻鐿玻璃會反射激光束，

使激光束在空腔中亂跳，從而使冷卻的效率更高。在他們的樣機空腔中，摻

鐿玻璃以0.5瓦每秒的速度失去能量。科學家們計算，假如把空腔加以微調(diào)，

它的溫度能冷卻到絕對溫度60K(約-213℃)。


    1995年愛潑斯坦實現(xiàn)光與熱的制冷效應是一個歷史性突破。由于該制冷方

法具有全光性的獨特優(yōu)點,同時具備制冷器無振動和噪聲、無電磁輻射且體積

小、質(zhì)量輕、可靠性高等特點，因而反斯托克斯熒光制冷器在軍事、航天衛(wèi)

星、微電子、低溫物理以及工程等領域具有誘人的應用前景。


    首先，它可能用于空間供冷來冷卻衛(wèi)星上靈敏的探測器和電子設備。我們

知道，所有高溫物體都發(fā)出紅外輻射，天文學用的紅外探測器就是這個問題

，而熱儀器所發(fā)出的"噪音"會淹沒來自天體的信號。因此，對紅外探測器械

冷卻是極為重要的。


    迄今為止，在軌探測器冷卻主要依賴一罐罐的液化氣，它只能使用幾年。

要承擔長期使命的衛(wèi)星雖然可以用機械熱力泵，但泵振動極其電磁干擾會影

響紅外傳感器，這就要求把紅外傳感器謹慎地保護起來。激光冷卻器沒有運

動部件，它可能是最佳的制冷選擇。


    雖然預計前景樂觀，也要預見到宇宙高能射線粒子的輻射影響。戈斯內(nèi)爾

說，高能粒子或射線可能會弄壞鐿或者玻璃，攏亂精細的光化學平衡，導致

轉(zhuǎn)化成熱的那部分被吸收的光的比例增加等問題。 他認為實現(xiàn)在空間應用還

遠得很，現(xiàn)在可以進行許多物理學上有意義的研究。


其實，有很多人早就注意到激光冷卻。化學家朗布爾斯和克拉克發(fā)現(xiàn)，通過

把紅色激光照射到摻有若丹明染料的聚合物薄膜上可以生成黃色熒光。 朗布

爾斯說，當我們把聚合物薄膜的溫度降低幾度時黃色熒光就消失了，這表明

熱量被“熱”分子吸收了，使“熱”分子冷卻意味著這些分子轉(zhuǎn)化成熒光消失了。

當科學家們用一個含有更多染料液體的樣本做試驗時，樣本冷卻了4℃。


1995年，朗布爾斯和克拉克設計了一個靈敏溫度計：用一根摻雜熒光染料的

光纖，一個激光器和一個通電的光探測器制成。通過檢測熒光的產(chǎn)生量多少

，能夠測出溫度小到0.2℃的變化。由于它沒有金屬部件，極適合在金屬腐蝕

的環(huán)境中使用。 朗布爾斯預見到激光冷卻還有其他用途，例如供光學運算的

組件使用。

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