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激光是怎麼製冷的

發布時間:2023-07-25 19:59:39

A. 紫外激光冷水機的工作原理是什麼

紫外激光冷水機的工作原理是蒸氣壓縮式製冷,即利用液態製冷劑汽化時吸熱,蒸汽凝結時放熱的原理進行製冷的。酷凌時代紫外激光冷水機能夠提供恆溫、恆流、恆壓的冷凍水。在紫外激光冷水機的運行過程中,我們可以先將一定量的水注入機器的內部水箱,通過冷水機製冷系統將水冷卻,再由水泵將低溫冷凍的水注入需要冷卻的設備內,冷凍水將機器內部的熱量帶走,將高溫的熱水再次迴流到水箱進行降溫,如此循環交換冷卻,達到為設備冷卻的作用。

B. 激光製冷與絕對零度有什麼關系

不管你往什麼地方看,到處都有激光的痕跡。激光束能准確地進行外科手術,就像小小的粒子加速器一樣干凈利落地工作。它們能在實驗室再生太陽表面的白熱狀態。在科技日新月異的當今,人們已經可以通過高科技的手段利用激光能把材料中的熱量逐漸排出,直至這些材料像冰凍的冥王星一樣冷。美國的科學家已經研製出激光冷卻器的樣機,他們希望能把這些冷卻器放到衛星上使用。

從20世紀七八十年代以來,一種叫做多普勒冷卻的技術一直在用激光冷卻材料,利用光子使原子減速。能量從原子到光子的轉換能使原子冷卻到絕對溫度零上百萬分之一度弱,但是只是在極小的尺寸上才能做到這一點。

激光製冷的基本原理

激光為什麼能製冷呢?原來,物體的原子總是在不停地做無規則運動,這實際上就是表示物體溫度高低的熱運動,即原子運動越激烈,物體溫度越高;反之,溫度就越低。所以,只要降低原子運動速度,就能降低物體溫度。激光製冷的原理就是利用大量的光子阻礙原子運動,使其減速,從而降低了物體溫度。

物體原子運動的速度通常為500米/秒左右。長期以來,科學家一直在尋找使原子相對靜止的方法。朱棣文採用三束相互垂直的激光,從各個方面對原子進行照射,使原子陷於光子海洋中,運動不斷受到阻礙而減速。激光的這種作用被形象地稱為「光學粘膠」。在試驗中,被「粘」住的原子可以降到幾乎接近絕對零度的低溫。

激光製冷的技術回顧

20世紀七八十年代,物理學家掌握了如何用激光將原子冷卻到非常接近絕對零度的低溫。那個時期最重要的三篇文章都發表在《物理學評論快報》上,它們標志著這項技術發展過程中的關鍵。1978年,研究者們費盡九牛二虎之力才把離子冷卻到40開爾文以下,但是僅僅十年之後中性原子就可以被冷卻到43微開了。但是冷卻的基本原理並沒有變:用激光作用在原子上使之減速。這項技術的改進使得物理學家們能夠制備出一種稱為玻色—愛因斯坦凝聚的量子態物質以及現代高精度的原子鍾,有兩項諾貝爾獎與這一技術有關。

冷卻原子最初是為了降低它們的熱運動速度,以便精確地測量原子光譜,後來則是為了改進原子鍾。早在1978年維固蘭德及其在國家標准技術局的同事們就按照文獻中提出的理論方案成功地用激光冷卻了鎂離子。

正如這個小組在《物理學評論雜志》的文章中所描述的那樣,他們將離子限制在電磁勢阱中,並用頻率稍低於離子共振頻率的激光轟擊俘獲的離子。在靜止狀態時,離子吸收頻率等於其共振頻率的光子;當離子迎著激光照射的方向運動時,由於多普勒效應激光的頻率會變大,當激光頻率達到離子共振頻率的時候,離子就會吸收光子。由於光子和離子的動量方向相反,離子吸收光子之後其運動速度會降低從而冷卻,冷卻效應會一直持續下去直到被激光的加熱效應所平衡,加熱效應在有激光的時候總是存在的。在後來的幾年中,加熱效應——它源自原子每次隨機地在各個方向輻射和吸收光子時產生的反沖效應——最終將對所謂的多普勒冷卻技術能夠將物質冷卻到更低的溫度給出難以突破的限制。

在波士頓的威廉·菲利普斯懷著極大的興趣讀了維固蘭德等人的實驗文章以及一篇理論文章後,他回憶說:「冷卻離子的想法使我思考是否有可能冷卻中性原子。」

1982年,菲利普斯和來自紐約石溪大學的Harold Metcalf發表了關於用激光冷卻中性原子的第一篇文章。他們把鈉原子送入一個長約60厘米、開口處寬而越往前越窄的磁場中。鈉原子通過磁場的時候迎頭碰上頻率與原子共振頻率稍有差異的激光束,多普勒冷卻效應使得原子束中粒子的運動速度被限制在較小的一個范圍內。激光束同時也使得原子束整體運動的速度減慢。在減速的過程中,不斷改變的磁場造成原子的共振頻率也不斷改變,從而使得在很長的一個距離上減速和冷卻效應能夠一直保持,最終的速度將達到僅為原有速度的40%。這一現在被稱為塞曼減速儀的裝置已經成為原子束減速的標准工具。

激光冷卻技術不斷地被改進,一直到80年代末,研究者們認為他們已經達到了可能達到的最低溫度——這是根據多普勒冷卻理論計算得到的——對於鈉原子而言這一溫度極限是240微開。但是在1988年,一個由菲利普斯領導的小組偶然間發現在這之前三年發展出來的一項技術可以突破多普勒極限。他們用三束相互垂直的激光束對來冷卻鈉原子,而且激光頻率和其他實驗室中使用的激光頻率略有不同。他們發現,使用幾項新的溫度測量技術得到的結果顯示鈉原子的溫度只有43微開。理論物理學家馬上從理論上對這一出乎意料的冷卻機制給予了解釋,這一解釋考慮了更多的原子態以及激光的極化效應;相比之下之前的冷卻模型就非常簡單化了。

在新理論的指導下,實驗物理學家們獲得了更低的溫度並發展出了更多的冷卻技術。菲利普斯的亞多普勒冷卻技術(Sub?Doppler Cooling)是1995年制備出玻色—愛因斯坦凝聚——在這種新的凝聚態中,氣態原子全部處於可能的最低能量狀態上——的前奏。

原子鍾技術同樣從這一技術中受益。最新一代的原子鍾使用的技術就直接脫胎於菲利普斯及其他人於20世紀80年代發展出來的技術。菲利普斯因為發展激光冷卻技術而分享了1997年的諾貝爾獎;2001年的諾貝爾獎則授予首次實現玻色—愛因斯坦凝聚的物理學家。

多普勒效應

多普勒效應是為紀念奧地利物理學家及數學家克里斯琴·約翰·多普勒而命名的,他於1842年首先提出了這一理論。

多普勒效應指出:物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產生變化。在運動的波源前面,波被壓縮,波長變得較短,頻率變得較高;當運動在波源後面時,會產生相反的效應。波長變得較長,頻率變得較低。波源的速度越高,所產生的效應越大。根據波紅(藍)移的程度,可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。

C. 激光製冷在生活中的現象

激光製冷固體概述激光制 冷,是指用一束或多束特定的激光照射物質,在激光與物質相互作用後,物體的溫度變低。
然而,從日常生活經驗可知,物體可以吸收光的能量而發熱,比如大家都 喜歡在沙灘上曬太陽,在夏日太陽炙烤的馬路上難於光腳著地等等。
相比於太陽光,激光的功率密度更高,大功率的激光甚至可以將物質熔化,因而可以用激光進行 機械加工切割、製造激光武器。

D. 激光冷水機的作用是什麼

激光冷水機的主要作用是可以為激光設備的激光發生器提供水循環冷卻,並精確控制激光發生器的使用溫度,使激光發生器可以長時間保持正常工作。在冷水機的運行過程中,我們可以先將一定量的水注入機器的內部水箱,通過冷水機製冷系統將水冷卻,再由水泵將低溫冷凍的水注入需要冷卻的設備內,冷凍水將機器內部的熱量帶走,將高溫的熱水再次迴流到水箱進行降溫,如此循環交換冷卻,達到為設備冷卻的作用。
深圳市華恆隆科技有限公司是家專注於中小型製冷的產品研發型技術企業,具備多年的研發經驗及技術優勢,能在極限的空間里發揮非常大的製冷效果,溫控精度高,有良好的散熱系統,從而實現對散熱溫度的有效控制,在工藝裝備、技術、研發能力均居國內先進水平。

E. 請問 激光冷卻法 的原理

激光冷卻
只說原理 激光冷卻法的基本原理是 光壓 在光的傳播路徑上會對物質產生一定壓力 稱之為 光壓 在進行冷卻的時候用多束激光從不同方向照射目標體 使其粒子受到光壓的作用 以阻止其熱振動 以打到冷卻的效果 激光冷卻法是現在最先進的冷卻方法之一 可以打到非常接近絕對零度的超低溫

眾所周知,激光是高功率的光束,它能產生高溫,因而有激光手術、激光焊接等應用。但是激光居然還能用來冷卻,而且可以冷卻到絕對溫度百萬分之一度以下,卻似乎有點不太好理解。
激光冷卻涉及到多個物理原理,概括起來主要有光的多普勒效應、原子能級量子化、光具有動量。另外,激光的高度單色性和可調激光技術也非常重要。
光的多普勒效應是指,如果你迎著光源的方向運動,觀察到光的頻率將會增加;如果背離光源方向運動,觀察到的光的頻率將會降低。
原子可以吸收電磁輻射的能量,使其本身的能量升高;也可以釋放出電磁輻射,同時自身的能量降低。原子的能級量子化,是指原子只能吸收和放出某些特定頻率的電磁波。按量子理論,電磁波的能量只能以某種不可分割的單位--能量子--與別的物質相作用。而每一份能量子所含的能量正比電磁波的頻率,所以,只吸收和釋放某些特定頻率的電磁波,就意味著原子的能量只能取某些特定的值,故稱為能級量子化。
光與其它實物粒子一樣,也具有動量。當一個原子吸收一份電磁波的能量子(即光子)時,它同時也獲得了一定的動量。光的動量與光的波長成反比,方向與光的傳播方向相一致。
現在假設某種原子只吸收頻率為f0的電磁波。如果我們把激光的頻率調在略小於f0的頻率上(可調激光技術可以讓我們精確地調節所需激光的頻率),並把這樣一束激光射在由那種原子組成的樣品上,將會發生什麼現象呢?
我們知道,在高於絕對零度的任何溫度下,組成樣品的原子都在作無規則的熱運動。當其中某個原子的運動方向指向激光的光源時,由於多普勒效應,在這個原子看來激光的頻率會略高一些。因為我們把激光的頻率調在略低於f0,多普勒效應可以使得飛向光源方向的原子看到的激光頻率正好等於f0。這樣,這個原子就有可能吸收激光的能量。在它吸收能量時,它同時也獲得了動量。由於激光傳播的方向與原子運動的方向相反,獲得的動量將使原子的運動速度變慢。
如果另一個原子的運動方向背離激光的光源時,由於多普勒效應,這個原子看到的激光頻率將降低,這樣將更加遠離它能吸收的電磁波的頻率,所以這個原子不會吸收激光的能量,也不會從激光那裡獲得使它加速的動量。
如果我們多設置幾個激光源,從多個方向照射那個樣品。那麼按上面的分析,無論樣品的原子往哪個方向運動,它都只吸收迎面而來的激光,因而其運動速度總是被降低。這些原子就好象處在粘稠的糖漿中,它的運動一直受到阻撓,直到幾乎完全停止。所以激光冷卻裝置又被稱為「光學糖漿」。
這樣,在激光的照射下,組成樣品的原子的熱運動速度不斷降低,它的溫度也就不斷地降低。那麼用這種辦法有沒有可能達到絕對零度呢?答案是否定的。因為樣品原子在吸收了光子之後,其自身能級將升高,因而並不穩定。它會再次釋放光子,使自己處於更穩定的狀態。釋放光子時,它也會失去一部分動量,從而產生相反方向的加速。釋放光子的方向是隨機的,所以在長期平均來看,它並不產生凈的加速。但是它畢竟使原子獲得了隨機的瞬間速度,這本身也是一種熱運動,所以要達到絕對零度是不可能的。只是這種熱運動的幅度很小,其對應的溫度對大多數原子來講在千分之一開以下。

激光製冷
大家都知道激光有亮度高的特點,利用這個特點可以在極短的時間內在極小的范圍內使被激光照射的物體接受到極高的能量.用這種技術可以進行金屬焊接和施行人體手術等.而現在科學家們還能利用激光製冷,並把研究對象的溫度降低到只有幾微開(10-6K),已經非常接近絕對零度了.
激光冷卻技術的原理可以用右圖說明.圖中激光束a和激光束b相向傳播,光的頻率相同,都略低於原子吸收光譜線的中心頻率,即比原子的共振吸收頻率低一些.現在考慮一個往右方運動的原子A,這個原子是迎著激光束b運動的,根據多普勒效應,這個原子感受到的激光束b的頻率升高,即激光束b的頻率進一步接近了原子的共振吸收峰值的位置.原子從激光束b吸收光子的幾率增大.這個原子的運動方向和激光束a的傳播方向相同,所以它感受到激光束a的頻率減小,根據多普勒效應,這個原子感受到的激光束a的頻率降低,即激光束a的頻率進一步遠離了原子的共振吸收峰值的位置,原子從激光束a吸收光子的幾率減小.著意味著原子A將受到把它往左推的作用力,阻止它往右運動,即原子A的速度減慢.同樣,圖中向左運動的原子B將受到激光束a的推力,阻止它向左運動,運動速度也減慢.那麼,用上下,左右,前後三對這樣的激光束,就可以讓朝各個方向運動的原子都減慢運動速度.而物體的溫度正是由物體分子平均動能的標志,所以這種方法能夠達到製冷的目的.目前,用這個辦法已經可以把原子冷卻到微開.

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