大家都知道,激光具有方向性好、亮度高的特點(diǎn),其光束集中在沿軸線方向的一個(gè)極小發(fā)射角內(nèi)(僅十分之一度左右),加上激光調(diào)Q等技術(shù)能把激光能量壓縮到極窄的脈沖內(nèi)(比如一萬(wàn)億分之一秒),因此能輻射出巨大的能量。印象中的激光,都是和高能聯(lián)系在一起的,實(shí)際上具有高能量的激光,一樣能夠應(yīng)用在制冷方面。
早在1985年,美國(guó)華裔物理學(xué)家朱棣文就成功地用激光冷凍了原子,從而榮獲1997年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。實(shí)際上,激光制冷的原理是降低物體中分子的熱運(yùn)動(dòng)。物體的溫度與分子熱運(yùn)動(dòng)有關(guān),分子運(yùn)動(dòng)越劇烈,物體溫度越高,反之,分子運(yùn)動(dòng)越慢,物體溫度就越低。激光制冷,首先要對(duì)激光進(jìn)行精確調(diào)諧,利用調(diào)諧后方向相反的兩束光,當(dāng)大量的光子射入物體內(nèi)部時(shí),由于激光粒子的數(shù)量相當(dāng)多,使得物體內(nèi)微粒變得擁擠,加上光子在撞向原子后彈開(kāi)會(huì)帶走一部分能量,抵消了分子原子本身的動(dòng)能,導(dǎo)致分子原子不能像之前一樣任意的“無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)”,從而降低分子熱運(yùn)動(dòng),進(jìn)而降低了物體的溫度。
物體原子運(yùn)動(dòng)的速度通常在約每秒500米,長(zhǎng)期以來(lái),科學(xué)家一直在尋找使原子相對(duì)靜止的方法。朱棣文采用三束相互垂直的激光,從各個(gè)方面對(duì)原子進(jìn)行照射,使原子陷于光子海洋中,運(yùn)動(dòng)不斷受到阻礙而減速。激光的這種作用被形象地稱為“光學(xué)粘膠”。在試驗(yàn)中,被“粘”住的原子可以降到幾乎接近絕對(duì)零度(-273.15℃)的低溫。
激光致冷可以消除一級(jí)與二級(jí)多普勒頻移,以便建立更好的頻率基準(zhǔn)。這對(duì)計(jì)時(shí)、精密計(jì)量和導(dǎo)航有重要意義。目前,激光制冷技術(shù)主要在生物學(xué)的細(xì)胞、線粒體和染色體三個(gè)層次上有重要的應(yīng)用,也應(yīng)用于凝聚態(tài)物理、原子噴泉、原子鐘、原子干涉儀、原子光刻上。
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