热统论文-激光制冷 霍泊帆.doc

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： 2013.5.22 2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Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的简称。 自激光问世以来人们大都只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=h=hc/，其中h为普朗克常数，为频率，c为光速，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。 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.Hnsch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。 1989年，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和拉曼跃迁冷却的冷却方案。 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。 2、反斯托克斯荧光制冷的发展 利用反斯托克斯效应实现激光制冷的设想最早由P.Pringsheim 于1929年提出但通常人们总以为用光照射物体必会发热而不可能制冷，这使得在其提出之后科学界就其实现的可能性进行了长达16年的争论。 1946年，著名的物理学家L.Landan利用热力学的基本原理，把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。 此外，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，也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。 3、激光制冷的发展现状激光制冷的研究工作已经取得了很大的进展，特别是近些年在实验研究方面的重大突破。但与传统机械式低温制冷机相比，激光制冷的发展还处在初始阶段，它还存在很多不足。例如，制冷功率低、制冷系数小、制造成本高等。为了进一步提高激光制冷的性能研究工作还需在以下几个方面做出努力：（1） 深化激光制冷的机理研究为整机性能的优化工作提供方向性指导。 （2） 从强化反斯托克斯效应角度出发 寻找具有更适当能级结构的原子，或离子、基团作为制冷元件的荧光中心,以提高激光制冷循环的制冷量和制冷系数。 （3） 发展激光技术，为激光制冷提供满足特定波长要求的高功率、高效率、低成本的激光发生器。 （4） 优化光路设计，提高入射激光的利用率，同时便于反斯托克斯散射荧光的溢出。 （5） 进一步提高发光介质的纯净度，从而减少杂质引起的无辐射驰豫寄生热对制冷量的消耗。 （6） 改进绝热系统，减少处于室温的部件向制冷元件的漏热。 （7） 优化整体结构设计减少整机体积和重量。四、激光制冷未来发展方向 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。然后还有超冷分子，其为量子计算机的制造提供了可能性依