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光纖激光打標機的激光制冷原理分析

知識百科


溫度是表示物體冷熱程度的物理量 ， 微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度 。 眾所周知 ， 我們周圍的一切分子和原子都在進行著永不停息的無規則的熱運動 。 而我們制冷的實質就是降低這些分子或原子的總體上的熱運動的劇烈程度 ， 光纖激光打標機 。
1、激光制冷中的一個很重要的技術就是多普勒冷卻技術 ， 多普勒冷卻技術的原理就是通過激光發出光子來阻礙原子的熱運動 ， 而這個阻礙過程則是通過減小原子的動量來實現的 。 那么 ， 激光究竟是如何來減小這些原子的動量呢?
首先 ， 量子力學提出 ， 原子只能吸收特定頻率的光子 ， 從而改變其動量 。 多普勒效應指出 ， 波在波源移向觀察者時頻率變高 ， 而在波源遠離觀察者時頻率變低 。 當觀察者移動時也能得到同樣的結論 。
同樣 ， 對于原子也是如此 ， 當原子的運動方向與光子運動相反時 ， 則此光子的頻率將增大 ， 而當原子運動方向于此光子運動方向相同時 ， 則此光子頻率將減小 。 然后的話 ， 另一個物理學原理就是光雖然沒有靜質量 ， 但其具有動量 。 那么綜合以上幾個個物理學特性 ， 我們就能構建出激光冷卻的簡單模型 。
2、激光器的頻率在一定范圍內是可調的 ， 而把激光器的頻率調至略低于某原子的可以吸收的頻率時 ， 就會有意想不到的結果 。 當用這樣一束光照射某一特定的原子時 ， 就會發生這樣的情況 。 如果原子是向著激光束運動時 ， 由于光的多普勒效應 ， 則光子的頻率增加 ， 而原來激光光子的頻率剛好是略小于原子的可吸收的頻率 ， 則此時由于多普勒效應則剛好被原子吸收 。
而這一吸收表現為動量改變 。 因為光子的運動方向與原子的運動方向相反 ， 則在光子與原子碰撞之后 ， 原子躍遷到激發態 ， 并且動量減小 ， 故動能也隨之減小 。 而對于其他運動方向的原子 ， 則其對應的光子的頻率不會增加 ， 所以不能吸收激光束中的光子 ， 所以也不會有動量增加這一現象的發生 ， 相對于動能來講也是一樣 。
當我們用多束激光從不同角度來照射原子 ， 則在不同運動方向上的原子的動量都會減小 ， 從而動能減小 。 而由于在激光只減小原子的動量 ， 所以在此過程持續一段時間后 ， 大多數的原子的動量就會達到一個很低的水準 ， 從而達到制冷的目的 。
但此技術所應用的范圍大多是用于原子冷卻 ， 而對于分子 ， 這種方法很難將其冷卻到超低溫 。 但超冷分子比超冷原子的意義更大 ， 因為其屬性更為復雜 。 目前 ， 冷卻分子的方法是將超冷堿原子結合在一起 ， 產生雙堿分子 。 不久之前 ， 耶魯大學就曾經將氟化鍶(SrF)冷卻到幾百微開 。
另一種激光制冷也稱反斯托克斯熒光制冷 ， 是正在發展的新概念的制冷方法其基本原理是反斯托克斯效應 ， 利用散射與入射光子的能量差實現制冷 。 反斯托克斯效應是一種特殊的散射效應 ， 其散射熒光光子波長比入射光子波長短 。
因此 ， 散射熒光光子能量高于入射光子能量 ， 其過程可簡單理解為：用低能量激光光子激發發光介質 ， 發光介質散射出高能量的光子 ， 將發光介質中的原有能量帶出介質而制冷 。 與傳統制冷方式相比 ， 激光起到了提供制冷動力的作用 ， 而散射出的反斯托克斯熒光則是熱量載體 。