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能量巨大的激光也能制冷?

导读: 大家都知道,激光具有方向性好、亮度高的特点,其光束集中在沿轴线方向的一个极小发射角内(仅十分之一度左右),加上激光调Q等技术能把激光能量压缩到极窄的脉冲内(比如一万亿分之一秒),因此能辐射出巨大的能量。印象中的激光,都是和高能联系在一起的,实际上具有高能量的激光,一样能够应用在制冷方面。

大家都知道,激光具有方向性好、亮度高的特点,其光束集中在沿轴线方向的一个极小发射角内(仅十分之一度左右),加上激光调Q等技术能把激光能量压缩到极窄的脉冲内(比如一万亿分之一秒),因此能辐射出巨大的能量。印象中的激光,都是和高能联系在一起的,实际上具有高能量的激光,一样能够应用在制冷方面。

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。实际上,激光制冷的原理是降低物体中分子的热运动。物体的温度与分子热运动有关,分子运动越剧烈,物体温度越高,反之,分子运动越慢,物体温度就越低。激光制冷,首先要对激光进行精确调谐,利用调谐后方向相反的两束光,当大量的光子射入物体内部时,由于激光粒子的数量相当多,使得物体内微粒变得拥挤,加上光子在撞向原子后弹开会带走一部分能量,抵消了分子原子本身的动能,导致分子原子不能像之前一样任意的“无规则运动”,从而降低分子热运动,进而降低了物体的温度。

物体原子运动的速度通常在约每秒500米,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(-273.15℃)的低温。

激光致冷可以消除一级与二级多普勒频移,以便建立更好的频率基准。这对计时、精密计量和导航有重要意义。目前,激光制冷技术主要在生物学的细胞、线粒体和染色体三个层次上有重要的应用,也应用于凝聚态物理、原子喷泉、原子钟、原子干涉仪、原子光刻上。

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