溫度是表示物體冷熱程度的物理量,微觀上來(lái)講是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。眾所周知,我們周?chē)囊磺蟹肿雍驮佣荚谶M(jìn)行著永不停息的無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。而我們制冷的實(shí)質(zhì)就是降低這些分子或原子的總體上的熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度,光纖激光打標(biāo)機(jī)。
1、激光制冷中的一個(gè)很重要的技術(shù)就是多普勒冷卻技術(shù),多普勒冷卻技術(shù)的原理就是通過(guò)激光發(fā)出光子來(lái)阻礙原子的熱運(yùn)動(dòng),而這個(gè)阻礙過(guò)程則是通過(guò)減小原子的動(dòng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。那么,激光究竟是如何來(lái)減小這些原子的動(dòng)量呢?
首先,量子力學(xué)提出,原子只能吸收特定頻率的光子,從而改變其動(dòng)量。多普勒效應(yīng)指出,波在波源移向觀察者時(shí)頻率變高,而在波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)頻率變低。當(dāng)觀察者移動(dòng)時(shí)也能得到同樣的結(jié)論。
同樣,對(duì)于原子也是如此,當(dāng)原子的運(yùn)動(dòng)方向與光子運(yùn)動(dòng)相反時(shí),則此光子的頻率將增大,而當(dāng)原子運(yùn)動(dòng)方向于此光子運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí),則此光子頻率將減小。然后的話,另一個(gè)物理學(xué)原理就是光雖然沒(méi)有靜質(zhì)量,但其具有動(dòng)量。那么綜合以上幾個(gè)個(gè)物理學(xué)特性,我們就能構(gòu)建出激光冷卻的簡(jiǎn)單模型。
2、激光器的頻率在一定范圍內(nèi)是可調(diào)的,而把激光器的頻率調(diào)至略低于某原子的可以吸收的頻率時(shí),就會(huì)有意想不到的結(jié)果。當(dāng)用這樣一束光照射某一特定的原子時(shí),就會(huì)發(fā)生這樣的情況。如果原子是向著激光束運(yùn)動(dòng)時(shí),由于光的多普勒效應(yīng),則光子的頻率增加,而原來(lái)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(shí)由于多普勒效應(yīng)則剛好被原子吸收。
而這一吸收表現(xiàn)為動(dòng)量改變。因?yàn)楣庾拥倪\(yùn)動(dòng)方向與原子的運(yùn)動(dòng)方向相反,則在光子與原子碰撞之后,原子躍遷到激發(fā)態(tài),并且動(dòng)量減小,故動(dòng)能也隨之減小。而對(duì)于其他運(yùn)動(dòng)方向的原子,則其對(duì)應(yīng)的光子的頻率不會(huì)增加,所以不能吸收激光束中的光子,所以也不會(huì)有動(dòng)量增加這一現(xiàn)象的發(fā)生,相對(duì)于動(dòng)能來(lái)講也是一樣。
當(dāng)我們用多束激光從不同角度來(lái)照射原子,則在不同運(yùn)動(dòng)方向上的原子的動(dòng)量都會(huì)減小,從而動(dòng)能減小。而由于在激光只減小原子的動(dòng)量,所以在此過(guò)程持續(xù)一段時(shí)間后,大多數(shù)的原子的動(dòng)量就會(huì)達(dá)到一個(gè)很低的水準(zhǔn),從而達(dá)到制冷的目的。
但此技術(shù)所應(yīng)用的范圍大多是用于原子冷卻,而對(duì)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?yàn)槠鋵傩愿鼮閺?fù)雜。目前,冷卻分子的方法是將超冷堿原子結(jié)合在一起,產(chǎn)生雙堿分子。不久之前,耶魯大學(xué)就曾經(jīng)將氟化鍶(SrF)冷卻到幾百微開(kāi)。
另一種激光制冷也稱(chēng)反斯托克斯熒光制冷,是正在發(fā)展的新概念的制冷方法其基本原理是反斯托克斯效應(yīng),利用散射與入射光子的能量差實(shí)現(xiàn)制冷。反斯托克斯效應(yīng)是一種特殊的散射效應(yīng),其散射熒光光子波長(zhǎng)比入射光子波長(zhǎng)短。
因此,散射熒光光子能量高于入射光子能量,其過(guò)程可簡(jiǎn)單理解為:用低能量激光光子激發(fā)發(fā)光介質(zhì),發(fā)光介質(zhì)散射出高能量的光子,將發(fā)光介質(zhì)中的原有能量帶出介質(zhì)而制冷。與傳統(tǒng)制冷方式相比,激光起到了提供制冷動(dòng)力的作用,而散射出的反斯托克斯熒光則是熱量載體。