激光制冷技术的应用

本文摘要:不管你往什么地方看,四处都有激光的痕迹。激光束能精确地展开外科手术,就像小小的粒子加速器一样干净利落地工作。它们能在实验室再造太阳表面的白热状态。还有一件事让人意想不到,激光能把材料中的热量渐渐排泄,以后这些材料像冰冻的冥王星一样冻。 美国的科学家早已研制出激光冷却器的样机,他们期望能把这些冷却器放在卫星上用于。将近几十年来,一种叫作多普勒加热的技术仍然在用激光加热材料,利用光子使原子滑行。能量从原子到光子的切换能使原子加热到绝对温度零上百万分之一度很弱。

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不管你往什么地方看,四处都有激光的痕迹。激光束能精确地展开外科手术,就像小小的粒子加速器一样干净利落地工作。它们能在实验室再造太阳表面的白热状态。还有一件事让人意想不到,激光能把材料中的热量渐渐排泄,以后这些材料像冰冻的冥王星一样冻。

美国的科学家早已研制出激光冷却器的样机,他们期望能把这些冷却器放在卫星上用于。将近几十年来,一种叫作多普勒加热的技术仍然在用激光加热材料,利用光子使原子滑行。能量从原子到光子的切换能使原子加热到绝对温度零上百万分之一度很弱。但是只是在大于的尺寸上才能倚靠这一点。

利用光使大的物体加热的点子是德国物理学家晋林希姆在1929年首先明确提出的。他的点子是当物质升空荧光时,它不会变冷。当分子吸取光时,它的电子就受激。

这个新的状态是不稳定的,分子必需丧失多余的能量。要作到这一点,可通过使分子再次发生永久性化学变化(如拆下一个键),或者是将分子加剧,使它和周围环境变热。多余的能量不会以光的形式离开了分子。通过使荧光离开了全部能量,比吸取的能量更加多,加热之后可实现。

其方法乃是对激光束中光子的能量展开挑选出,以便它只被材料中那些早已具备某种能量的分子所吸取,以首先构建对这些分子的冷却。利用统计资料方法可以看见,物质中有一小部分分子总是比其他分子温度低。当它们吸取光子时,它们就受激转入更高一级的能态。

在有些材料中这时荧光不会把分子带回比它们原本的能级更加较低,即更加冻的衡动态。离开了分子的光于是之后比被吸取的光所含更好的能,这种情况被称作反斯托克斯荧光。在理论上普林希姆的点子很好,但是实践中一起却困难重重。主要的难题在于要寻找一种适合的荧光材料并把它相同在一个能让所有的入射光都被吸取和让所有的荧光都被释放出的混浊的液体上。

新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的一个研究小组首次做了利用这种方法使一个液体加热。爱泼斯坦、戈斯内尔和他们的同事使高能红外激光在一个用镱(Yb3+)离子渗杂的玻璃基质上挤满。特地自由选择镱是因为它放荧光的效率高而且电子结构非常简单,这样被吸取的能量作为热运动在材料里失去的机会就少些。爱泼斯坦小组在1995年对一块火柴棍大小的玻璃不作实验时,倚靠了热能的损失率是激光能量的2%,它是在气体中用多普勒加热所需要超过的效率的10,000倍。

按照戈斯内尔的的众说纷纭,他们所以获得成功是因为玻璃基质高度洁净,因而可以不作到会衍射或吸取激光。他说道:有一点难过的是我们现在生产洁净玻璃可供光纤用的能力很强。

这次实验玻璃的温度只上升0.3℃,但当他们用光纤替换玻璃块,并且减少被吸取的激光量时,他们倚靠使试样的温度加热在16℃的温度下。在那以后,爱泼斯坦和他的同事用一对新型的镜子构成一个空腔,用这方法将他们的技术更进一步改良和适当不断扩大。这对镜子把一块直径约3厘米的掺入镱的玻璃城外在里面,它们能让镱的荧光通过,所以能量很更容易离开了。

然而它们不会光线激光束,所以激光速不会在空腔中乱跳从而使加热的效率更高。在样机的空腔中,掺入镱的玻璃以0.5瓦每秒的速度丧失能量。科学家们计算出来,假如把空腔加以微调,它的温度能加热到绝对温度60度(大约213℃)。

爱泼斯坦十分悲观,他说道我们年内将要有一个确实的冷却器。我们的第一个适合的市场有可能是空间──可供加热卫星上灵敏的探测器和电子设备。所有高温物体能收到红外电磁辐射。

譬如说,天文学用的红外探测器就是这个问题,因为热仪器所收到的噪音不会水淹来自天体的信号。所以对红外观测器械加热是极为重要的。迄今为止,使轨道上的探测器加热主要是倚赖一罐罐的液化气,它不能用于几年,分担更加长年愿景的卫星可以用机械热力泵,但是泵的发动机的振动和电磁干扰不会影响红外传感器,必需把这些红外传感器细心地维护一起。

激光冻地器没运动的部件有可能是最佳自由选择。科罗拉多博尔德的保尔航空航天工业技术公司的莫德应验:这种冷却器的加热能力迅速就能和现在用于的浅冷器不相上下。

他的公司于是以想把爱泼斯坦的激光冷却器放在空间。虽然爱泼斯坦和莫德的预计十分悲观,戈斯内尔却更加慎重些。

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他预见宇宙射线──空间的高能粒子和电磁辐射,它们总在大大地炮击卫星由此不会带给一些意想不到的问题。他说道,它们可能会弄坏镱或者玻璃,错内乱细致的光化学均衡,使新的转化成冷的那部分被吸取的光的比例减少等问题。

他警告说道:实际在空间应用于还近得很,有可能还得10年,但他同时又说道,可以展开许多物理学上有意义的研究。约和爱泼斯坦最初实验同时,伦敦帝国学院的一个研究小组也注意到激光加热,只不过这是无意间的。

化学家朗布斯和克拉克找到,通过把红色激光照射掺有若丹明染料的聚合物薄膜上可以分解黄色荧光。朗布尔斯说道:当我们把聚合物薄膜的温度减少几度时,黄色荧光就消失了,这指出它是被热分子吸取了。

使热分子加热意味著这些分子仍然能吸光,于是荧光之后消失了。当科学家们用一个所含更加多染料液体试样时,试样加热了4℃。朗布尔斯和克拉克寻找了一种利用这个效应的方式──这一次的作法是推倒过来。

1995年,他们设计并申请人一个灵敏的温度计的专利,它是用一根掺入荧光染料的光纤,一个激光器和一个通电的光探测器做成。通过检测产生出有多少荧光,它能测得温度小到0.2℃的变化。

由于它没金属部件,它近于合适在金属腐蚀的环境中用于。朗布尔斯预见激光加热还有其他用途,例如可供光学运算的组件用于。他坚信最后不会有可供光学运算用的急剧的能自动调节的材料。

由于不具备这方面的能力,激光冷却器的前景将是光明的,甚至是光芒四射的。


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