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激光制冷技能的运用

2008-04-25 10:24
小伊琳
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   不论你往什么地方看,处处都有激光的痕迹。激光束能精确地进行外科手术,就像小小的粒子加速器相同干净利落地作业。它们能在试验室再生太阳外表的白热状况。 

   还有一件事让人意想不到,激光能把资猜中的热量逐步排出,直至这些资料像冰冻的冥王星相同冷。美国的科学家现已研制出激光冷却器的样机,他们期望能把这些冷却器放到卫星上运用。近几十年来,一种叫做多普勒冷却的技能一向在用激光冷却资料,运用光子使原子减速。能量从原子到光子的转化能使原子冷却到绝对温度零上百万分之一度弱。可是只是在极小的尺度上才干作到这一点。 

   运用光使大的物体冷却的主意是德国物理学家晋林希姆在1929年首要提出的。他的主意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。这个新的状况是不安稳的,分子有必要失掉剩余的能量。要作到这一点,可经过使分子发作永久性化学改变(如拆开一个键),或许是将分子升温,使它和周围环境变热。剩余的能量会以光的方法脱离分子。 

   经过使荧光脱离悉数能量,比吸收的能量更多,冷却便可完成。其办法便是对激光束中光子的能量进行挑选,以便它只被资猜中那些现已具有某种能量的分子所吸收,以首要完成对这些分子的“加热”。 

   运用核算办法能够看到,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。在有些资猜中这时荧光会把分子带到比它们本来的能级更低,即更“冷”的振荡态。脱离分子的光所以便比被吸收的光含有更多的能,这种状况被称为反斯托克斯荧光。 

   在理论上普林希姆的主意很好,可是实践起来却困难重重。首要的难点在于要找到一种适宜的荧光资料并把它固定在一个能让一切的入射光都被吸收和让一切的荧光都被放出的“明澈”的固体上。
 
   新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家试验室的一个研讨小组初次做到了运用这种办法使一个固体冷却。爱泼斯坦、戈斯内尔和他们的搭档使高能红外激光在一个用镱(Yb3+)离子“渗杂”的玻璃基质上集合。 

   特别挑选镱是因为它发荧光的功率高而且电子结构简略,这样被吸收的能量作为热运动在资料里损失的时机就少些。 

   爱泼斯坦小组在1995年对一块火柴棍巨细的玻璃作试验时,作到了热能的损失率是激光能量的2%,它是在气体顶用多普勒冷却所能够到达的功率的10,000倍。依照戈斯内尔的的说法,他们所以获得成功是因为玻璃基质高度纯洁,因此能够作到不会散射或吸收激光。
 
   他说:“值得幸亏的是咱们现在制作纯洁玻璃供光纤用的才能很强。” 

   这次试验玻璃的温度只下降0.3℃,但当他们用光纤替代玻璃块,而且增加被吸收的激光量时,他们作到使试样的温度冷却在16℃的温度下。 

   在那今后,爱泼斯坦和他的搭档用一对新式的镜子构成一个空腔,用这办法将他们的技能进一步改善和相应扩展。 

   这对镜子把一块直径约3厘米的掺镱的玻璃围在里边,它们能让镱的荧光经过,所以能量很简单脱离。可是它们会反射激光束,所以激光速会在空腔中乱跳从而使冷却的功率更高。在样机的空腔中,掺镱的玻璃以0.5瓦每秒的速度失掉能量。 

   科学家们核算,假设把空腔加以微调,它的温度能冷却到绝对温度60度(约—213℃)。 

   爱泼斯坦非常达观,他说“咱们年内行将有一个真实的冷却器。” 

   “咱们的第一个适宜的商场或许是空间──供冷却卫星上活络的勘探器和电子设备。”一切高温物体能宣布红外辐射。譬如说,天文学用的红外勘探器便是这个问题,因为热仪器所宣布的“噪音”会吞没来自天体的信号。所以对红外勘探器械冷却是极为重要的。 

   迄今为止,使轨道上的勘探器冷却首要是依靠一罐罐的液化气,它只能运用几年,承当更长时间任务的卫星能够用机械热力泵,可是泵的发动机的振荡和电磁搅扰会影响红外传感器,有必要把这些红外传感器细心地保护起来。激光冷地器没有运动的部件或许是最佳挑选。 

   科罗拉多博尔德的保尔航空航天工业技能公司的莫德预言:“这种冷却器的冷却才能很快就能和现在运用的深冷器平起平坐。”他的公司正计划把爱泼斯坦的激光冷却器放到空间。 

   尽管爱泼斯坦和莫德的估计非常达观,戈斯内尔却更慎重些。他预见到宇宙射线──空间的高能粒子和辐射,它们总在不断地炮击卫星由此会带来一些意想不到的问题。他说,它们或许会弄坏镱或许玻璃,拢乱精密的光化学平衡,使从头转化成热的那部分被吸收的光的份额增加等问题。 他正告说:“实践在空间运用还远得很,或许还得10年,”但他一起又说,能够进行许多物理学上有含义的研讨。 

   大约和爱泼斯坦开端试验一起,伦敦帝国学院的一个研讨小组也注意到激光冷却,只不过这是偶尔的。 

   化学家朗布斯和克拉克发现,经过把赤色激光照耀到掺有若丹明染料的聚合物薄膜上能够生成黄色荧光。 

   朗布尔斯说:“当咱们把聚合物薄膜的温度下降几度时,黄色荧光就消失了,这表明它是被‘热’分子吸收了。”使‘热’分子冷却意味着这些分子不再能吸光,所以荧光便消失了。当科学家们用一个含有更多染料液体试样时,试样冷却了4℃。 

   朗布尔斯和克拉克找到了一种运用这个效应的办法──这一次的作法是倒过来。1995年,他们规划并请求一个活络的温度计的专利,它是用一根掺杂荧光染料的光纤,一个激光器和一个通电的光勘探器制成。经过检测产生出多少荧光,它能测出温度小到0.2℃的改变。因为它没有金属部件,它极适合在金属腐蚀的环境中运用。 

   朗布尔斯预见到激光冷却还有其他用处,例如供光学运算的组件运用。他信任终究会有供光学运算用的稳步的能主动调理的资料。因为具有这方面的才能,激光冷却器的远景将是光亮的,乃至是光芒四射的。

   (修改:xiaoyao)
 

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