激光制冷的发展与应用

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，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；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。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。从而在这个小区域里，聚集了大量的冷却下来的原子，组成了肉眼看去像是豌豆大小的发光的气团。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。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。以便科学研究。亚多普勒冷却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，科学家们却发现冷却的原子温度却低于这个极限温度。于是，又产生了亚多普勒冷却。1988年初，菲利普斯和他在美国国家标准技术院的小组研究了在光学粘胶中缓慢运动的中性钠原子冷云团。他们发现，原子的温度约为40μK，比预计的多普勒极限240μK低得多。他们还发现，最低的温度是在与理论多普勒极限的条件相矛盾的条件下得到的。之后，科学家们便作出了产生这一现象的理论解释。原来多普勒冷却和多普勒极限的理论是假设原子具有简单的二能级谱。可是实际上真正的钠原子都具有好几个塞曼子能级，不但在基态，而且在激发态也是如此。基态子能级可以用光泵方法激发，也就是说，激光能够把钠原子转变为按子能级布居的不同分布，并引起新的冷却机制。这种布居分布的细节依赖于激光的偏振态，而在光学粘胶中，在光学波长量级的距离里偏振态会发生快速的变化。故而，人们将这种新的冷却机制称为“偏振梯度冷却”。1989年，菲利普斯访问巴黎，他与高等师范学院的小组合作，共同证明了中性铯原子可以冷却到2.5μK。他们发现，和多普勒冷却一样，其它类型的激光冷却也有相应的极限。以从单个光子反冲而得的速度运动的一团原子所相当的温度就叫反冲极限。之后为了突破这一极限，法国的研究小组和美国斯坦福大学的研究小组分别提出了速度选择相干布居数囚禁(VSCPT，VelocitySelectiveCoherentPopulationTrapping)和拉曼跃迁冷却(RamanCooling)的冷却方案。2010年，科学家使用激光，把分子冷冻到接近绝对零度，这是单分子激光制冷首次达到这样的低温。向控制物质化学物理过程，制造量子计算机迈进了一大步。上世纪七八十年代，物理学家就能将原子冷却到非常接近绝对零度的低温。基本原理就是用激光作用在原子上使之减速。当原子被冷冻到接近绝对零度时，它们就会遵守特殊的量子力学定律。在与它们的低能级相应的状态下振动，这被用作超敏加速计和量子钟，原子本身也会粘在一起形成一种“超级原子”，这就是著名的“玻色—爱因斯坦凝聚”。对分子制冷要比对单个原子更加复杂。原子可以通过激光来制冷，因为来自激光束的光粒子被吸收后，原子会重新发出一个光子，从而减少动能。经过上千次这种反应滞后，原子就被冷冻在绝对零度附近十亿分之几的范围内。但分子比原子更重，更难对激光起反应。而且，分子会以原子键和旋转、自旋的方式储存能量，这些因素都让分子很难变冷。2.反斯托克斯荧光制冷的发展早在1929年，PPringsheim就提出通过反斯托克斯荧光对材料进行制冷的设想，但遭到SV当日咯烷等人的强烈反对。其后，他与反对派物理学家SVdrilow等人进行了长达16年的论战，论战的焦点主要在于该制冷方法是否违背热力学的基本原理。1946年著名的物理学家LLandan利用热力学的基本原理，吧发光物体与光组成的系统作为热力学研究对象，证明了利用激光制冷是可能的。1950年，法国学者AlfredKastler发现了“Lumino-caloric”效应。他紧紧报道了实验中系统温度升高的速度变小，没能观察到系统的温度降低。1995年，美国LosAlamos国家实验室空间制冷技术研究组的Epstein及同事首次通过激光诱导反斯托克斯荧光在固体材料上成功地获得可测量的制冷量。1999年，低温物理学家EFinkeipen利用掺杂蓝宝石激光器激发GaAs/GaAlAs半导体量子阱材料的空穴激子，实现空穴激子的反斯托克斯荧光发射，给出了不同温度下制冷效率与制冷温度的关系。中国科学院激发态物理开放实验室的科研人员在理论研究中，先后提出了反斯托克斯荧光制冷的单中心制冷物理模型、能量传递模型及双机制并行的物理模型。三、激光制冷应用与展望首先，得介绍一下，在二十世纪七八十年代以后，科学家们在实验室能够达到的最低温度可用μK作单位的温度了。可想而知，激光冷却与我们科学研究的意义。激光制冷的优点是可冷却温度低，但其也有局限性，因为其可冷却空间极小。激光制冷技术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。虽然早在20世纪初人们就注意到光对原子有辐射压力作用，只是在激光器发明之后，才发展了利用光压改变原子速度的技术。激光冷却有许多应用，如：原子光学、原子刻蚀、原子钟、光学晶格、光镊子、玻色-爱因斯坦凝聚、费米子凝聚态、原子激光、高分辨率光谱以及光和物质的相互作用的基础研究等等。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。玻色-爱因斯坦凝聚提到激光制冷就不得不提到BEC（Bose-Einsteincondensation）玻色-爱因斯坦凝聚。早在1924年印度物理学家玻色提出以不可分辨的n个全同粒子的新观念，并且将这篇论文寄给了爱因斯坦，进过对这一问题进行研究之后，预言当这类原子的温度足够低时，会有相变-新的物质状态产生，所有的原子会突然聚集在一种尽可能低的能量状态，这就是我们所说的玻色-爱因斯坦凝聚。但由于一直无法使物质接近接近绝对零度，从而一直未观察到此状态。之后，从20世纪90年代以年来，由于大家所熟知的三位物理学家（Chu（朱棣文），Cohen，Phillips)的杰出工作，激光冷却与囚禁中性原子技术得到了极大发展，为玻色-爱因斯坦凝聚奇迹的实现提供了条件。直到1995年，人们从实验室获得了这一状态。由于BEC的种种性质，我们可以利用BEC的这些特殊状态做出些通常物质无法做到的东西。这些原子组成的集体步调非常一致，因此内部没有任何阻力。激光就是光子的玻爱凝聚，在一束细小的激光里拥挤着非常多的颜色和方向一致的光子流。超导和超流也都是玻爱凝聚的结果。又比如说原子凝聚体中的原子几乎不动，可以用来设计精确度更高的原子钟，以应用于太空航行和精确定位等。玻爱凝聚态的原子物质表现出了光子一样的特性正是利用这种特性，前年哈佛大学的两个研究小组用玻色-爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零，将光储存了起来。除此之外，原子激光也是BEC产物。而且与此相对的费米子凝聚态也是通过BEC达到，其将促进人们对超导的研究。然而促成这一切的就是激光制冷。超冷分子这种超冷分子有助于科学家研究量子力学的化学