激光制冷

激光制冷

说道激光制冷，就不能不先说下，什么是激光。激光（英语：Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation，缩写为LASER，或laser），是指窄幅频率的光辐射线，通过受激辐射放大和必要的反馈共振，产生准直、单色、相干的光束的过程及仪器。基本上，产生激光需要“共振结构”、“增益介质”及“激发来源”这三个要素。

爱因斯坦在1930年代描述了原子的受激辐射。在此之后人们很长时间都在猜测，这个现象可否被用来加强光场，因为前提是介质必须存在着群数反转（或译居量反转）的状态。在一个二级系统中，这是不可能的。人们首先想到用三级系统，而且计算证实了辐射的稳定性。

1958年，美国科学家肖洛(Schawlow)和汤斯(Townes)发现了一种神奇的现象：当他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了\"激光原理\"，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，都会产生这种不发散的强光--激光。他们为此发表了重要论文，并获得1964年的诺贝尔物理学奖。

肖洛和汤斯的研究成果发表之后，各国科学家纷纷提出各种实验方案，但都未获成功。1960年5月16日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。

1960年7月7日，梅曼宣布世界上第一台激光器由诞生，梅曼的方案是，利用一个高强闪光灯管，来刺激红宝石。由于红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉，所

以当红宝石受到刺激时，就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔，使红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。

前苏联科学家尼古拉·巴索夫于1960年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由p层、n层和形成双异质结的有源层构成。其特点是：尺寸小、p合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。

在1980年代后期，半导体技术使得更高效而耐用的半导体激光二极管成为可能，这些在小功率的CD和DVD光驱和光纤数据线中得到使用。

在1990年代，高功率的激光激发原理得到实现，比如片状激光和纤维激光。后者由于新的加工技术和20kW的高功率不断地被应用到材料加工领域中，从而部分的替代了CO2激光和Nd:YAG-激光。

2000年代，激光的非线性得到利用，来制造X射线脉冲（来跟踪原子内部的过程）；另一方面，蓝光和紫外线激光二极管已经开始进入市场。在2009年，中国研制出一种名为氟代硼铍酸钾（KBBF）的晶体，可用于激发深紫外线激光，一旦成功应用，可令每片光碟的容量超过1TB，亦使半导体上可储存的电路密度大幅提高[1]。

现在，激光器已成为工业、通讯、科学及电子娱乐中的重要设备。

原理

▪ 受激辐射

电子的运动状态可以分为不同的能级，电子从高能级向低能级跃迁时，会释放出相应能量的电磁波（所谓自发辐射）。一般的发光体中，这些电子释放光子的动作是随机的，所释放出的光子也没有相同的特性，例如钨丝灯发出的光。

当外加能量以电场、光子、化学等方式注入到一个能级系统并为之吸收的话，会导致电子从低能级向高能级跃迁（所谓受激吸收），当自发辐射产生的光子碰到这些因外加能量而跃上高能级的电子时，这些高能级的电子会因受诱导而迁到低能级并释放出光子（所谓受激辐射），受激辐射的所有光学特性跟原来的自发辐射包括：频率、相位、前进方向等会是一样的，这些受激辐射的光子碰到其他因外加能量而跃上高能级的电子时，又会再产更多同样的光子，最后光的强度越来越大（即光线被放大了），而与一般的光不同的是所有的光子都有相同的频率、相位、前进方向。

要做到光放大，就要产生一个高能级电子比低能量级电子数目多的环境，即群数反转，这样才有机会让高能级电子碰上光子来释放新的光子，而不是随机释放。

一般激光发产生器有三个基本要素：

“激发来源”（pumping source）：把能量供给低能级的电子，激发使其成为高能级电子，能量供给的方式有电苛放电、光子、化学作用…。

“增益介质”（gain medium）：被激发、释放光子的电子所在的物质，其物理特性会影响所产生激光的波长等特性。

“共振腔”（optical cavity/optical resonator）：是两面互相平行的镜子，一面全反射，一面半反射。作用是把光线在反射镜间来回反射，目的是使被激发的光经过增益介

质多次以得到足够的放大，当放大到可以穿透半反射镜时，激光便从半反射镜发射出去。因此，此半反镜也被称为输出耦合镜（output coupler）。两镜面之间的距离也对输出的激光波长有着选择作用，只有在在两镜间的距离能产生共振的波长才能产生激光。

▪ 群数反转（population inversion）

在一个二级系统中，一个电子自低能级向高能级跃迁和自高能级向低能级跃迁的概率是一样的。为了达到光放大的作用，在高能级必须有更多的电子，使得受激辐射发生的概率更高。这个状态称为占据逆转。出于这个原因，所以以光子激发的二级系统是无法实现激光的，所以激光一般是以通过三级系统和四级系统得到实现。在三级系统中，电子受激跃迁到高能级后，便很快转为亚稳态。由此激光媒介被激发为高能态，占据逆转得到实现。

“激光”的中文一词的来历

1960年7月7日，美国科学家梅曼（Theodore Harold Maiman）发明了第一台激光器，1961年，中国大陆第一台激光器在中科院长春光机所研制成功。但当时中国并没有激光一词，中国科学界对它（英文Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation缩写为LASER）的翻译多种多样，例如“光的受激辐射放大器”、“光量子放大器”这些名字显然太长，不利于称呼。还有一些音译，如“莱塞”或者“镭射”。

命名的混乱给科学界、教育界带来极大的不便，1964年冬天，中国全国第三届光量子放大器学术报告会在上海召开，这次会议的一项重要议程，就是研究并通过对几个专有名词的统一命名。会议召开前，《光受激发射情报》杂志编辑部给中国著名科学家钱学森写了一封信，请他给Laser取一个中文名字。不久，钱学森就回信给编辑部，建议命名为“激光”。这一名字体现了光的本质、又描述了这类光和传统光的不同，即“激”体现了受激

发生，激发态等意义。这一名称提交到第三次光量子放大器学术报告会讨论，受到了与会者的一致赞同。从此中国大陆对Laser这一年轻的新生事物有了统一而有意义的汉语名称。

好，那什么是激光制冷呢？从20世纪七、八十年代几十年以来，一种叫做多普勒冷却的技术一直在用激光冷却材料，利用光子使原子减速。能量从原子到光子的转换能使原子冷却到绝对温度零上百万分之一度弱。但是只是在极小的尺寸上才能作到这一点。

激光制冷的基本介绍

不管你往什么地方看，到处都有激光的痕迹。激光束能准确地进行外科手术，就像小小的粒子加速器一样干净利落地工作。它们能在实验室再生太阳表面的白热状态。在科技日新月异的当今，人们已经可以通过高科技的手段利用激光能把材料中的热量逐渐排出，直至这些材料像冰冻的冥王星一样冷。美国的科学家已经研制出激光冷却器的样机，他们希望能把这些冷却器放到卫星上使用。

激光制冷的基本原理

激光为什么能制冷呢？原来，物体的原子总是在不停地做无规则运动，这实际上就是表示物体温度高低的热运动，即原子运动越激烈，物体温度越高；反之，温度就越低。所以，只要降低原子运动速度，就能降低物体温度。激光制冷的原理就是利用大量的光子阻碍原子运动，使其减速，从而降低了物体温度。

物体原子运动的速度通常在约每秒500米左右。长期以来，科学家一直在寻找使原子相对静止的方法。朱棣文采用三束相互垂直的激光，从各个方面对原子进行照射，使原子陷于光子海洋中，运动不断受到阻碍而减速。激光的这种作用被形象地称为“光学粘胶”。

在试验中，被“粘”住的原子可以降到几乎接近绝对零度的低温。