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激光是怎么制冷的

发布时间:2023-07-25 19:59:39

A. 紫外激光冷水机的工作原理是什么

紫外激光冷水机的工作原理是蒸气压缩式制冷,即利用液态制冷剂汽化时吸热,蒸汽凝结时放热的原理进行制冷的。酷凌时代紫外激光冷水机能够提供恒温、恒流、恒压的冷冻水。在紫外激光冷水机的运行过程中,我们可以先将一定量的水注入机器的内部水箱,通过冷水机制冷系统将水冷却,再由水泵将低温冷冻的水注入需要冷却的设备内,冷冻水将机器内部的热量带走,将高温的热水再次回流到水箱进行降温,如此循环交换冷却,达到为设备冷却的作用。

B. 激光制冷与绝对零度有什么关系

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。

从20世纪七八十年代以来,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做到这一点。

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为500米/秒左右。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。

激光制冷的技术回顾

20世纪七八十年代,物理学家掌握了如何用激光将原子冷却到非常接近绝对零度的低温。那个时期最重要的三篇文章都发表在《物理学评论快报》上,它们标志着这项技术发展过程中的关键。1978年,研究者们费尽九牛二虎之力才把离子冷却到40开尔文以下,但是仅仅十年之后中性原子就可以被冷却到43微开了。但是冷却的基本原理并没有变:用激光作用在原子上使之减速。这项技术的改进使得物理学家们能够制备出一种称为玻色—爱因斯坦凝聚的量子态物质以及现代高精度的原子钟,有两项诺贝尔奖与这一技术有关。

冷却原子最初是为了降低它们的热运动速度,以便精确地测量原子光谱,后来则是为了改进原子钟。早在1978年维固兰德及其在国家标准技术局的同事们就按照文献中提出的理论方案成功地用激光冷却了镁离子。

正如这个小组在《物理学评论杂志》的文章中所描述的那样,他们将离子限制在电磁势阱中,并用频率稍低于离子共振频率的激光轰击俘获的离子。在静止状态时,离子吸收频率等于其共振频率的光子;当离子迎着激光照射的方向运动时,由于多普勒效应激光的频率会变大,当激光频率达到离子共振频率的时候,离子就会吸收光子。由于光子和离子的动量方向相反,离子吸收光子之后其运动速度会降低从而冷却,冷却效应会一直持续下去直到被激光的加热效应所平衡,加热效应在有激光的时候总是存在的。在后来的几年中,加热效应——它源自原子每次随机地在各个方向辐射和吸收光子时产生的反冲效应——最终将对所谓的多普勒冷却技术能够将物质冷却到更低的温度给出难以突破的限制。

在波士顿的威廉·菲利普斯怀着极大的兴趣读了维固兰德等人的实验文章以及一篇理论文章后,他回忆说:“冷却离子的想法使我思考是否有可能冷却中性原子。”

1982年,菲利普斯和来自纽约石溪大学的Harold Metcalf发表了关于用激光冷却中性原子的第一篇文章。他们把钠原子送入一个长约60厘米、开口处宽而越往前越窄的磁场中。钠原子通过磁场的时候迎头碰上频率与原子共振频率稍有差异的激光束,多普勒冷却效应使得原子束中粒子的运动速度被限制在较小的一个范围内。激光束同时也使得原子束整体运动的速度减慢。在减速的过程中,不断改变的磁场造成原子的共振频率也不断改变,从而使得在很长的一个距离上减速和冷却效应能够一直保持,最终的速度将达到仅为原有速度的40%。这一现在被称为塞曼减速仪的装置已经成为原子束减速的标准工具。

激光冷却技术不断地被改进,一直到80年代末,研究者们认为他们已经达到了可能达到的最低温度——这是根据多普勒冷却理论计算得到的——对于钠原子而言这一温度极限是240微开。但是在1988年,一个由菲利普斯领导的小组偶然间发现在这之前三年发展出来的一项技术可以突破多普勒极限。他们用三束相互垂直的激光束对来冷却钠原子,而且激光频率和其他实验室中使用的激光频率略有不同。他们发现,使用几项新的温度测量技术得到的结果显示钠原子的温度只有43微开。理论物理学家马上从理论上对这一出乎意料的冷却机制给予了解释,这一解释考虑了更多的原子态以及激光的极化效应;相比之下之前的冷却模型就非常简单化了。

在新理论的指导下,实验物理学家们获得了更低的温度并发展出了更多的冷却技术。菲利普斯的亚多普勒冷却技术(Sub?Doppler Cooling)是1995年制备出玻色—爱因斯坦凝聚——在这种新的凝聚态中,气态原子全部处于可能的最低能量状态上——的前奏。

原子钟技术同样从这一技术中受益。最新一代的原子钟使用的技术就直接脱胎于菲利普斯及其他人于20世纪80年代发展出来的技术。菲利普斯因为发展激光冷却技术而分享了1997年的诺贝尔奖;2001年的诺贝尔奖则授予首次实现玻色—爱因斯坦凝聚的物理学家。

多普勒效应

多普勒效应是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒而命名的,他于1842年首先提出了这一理论。

多普勒效应指出:物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面,波被压缩,波长变得较短,频率变得较高;当运动在波源后面时,会产生相反的效应。波长变得较长,频率变得较低。波源的速度越高,所产生的效应越大。根据波红(蓝)移的程度,可以计算出波源循着观测方向运动的速度。

C. 激光制冷在生活中的现象

激光制冷固体概述激光制 冷,是指用一束或多束特定的激光照射物质,在激光与物质相互作用后,物体的温度变低。
然而,从日常生活经验可知,物体可以吸收光的能量而发热,比如大家都 喜欢在沙滩上晒太阳,在夏日太阳炙烤的马路上难于光脚着地等等。
相比于太阳光,激光的功率密度更高,大功率的激光甚至可以将物质熔化,因而可以用激光进行 机械加工切割、制造激光武器。

D. 激光冷水机的作用是什么

激光冷水机的主要作用是可以为激光设备的激光发生器提供水循环冷却,并精确控制激光发生器的使用温度,使激光发生器可以长时间保持正常工作。在冷水机的运行过程中,我们可以先将一定量的水注入机器的内部水箱,通过冷水机制冷系统将水冷却,再由水泵将低温冷冻的水注入需要冷却的设备内,冷冻水将机器内部的热量带走,将高温的热水再次回流到水箱进行降温,如此循环交换冷却,达到为设备冷却的作用。
深圳市华恒隆科技有限公司是家专注于中小型制冷的产品研发型技术企业,具备多年的研发经验及技术优势,能在极限的空间里发挥非常大的制冷效果,温控精度高,有良好的散热系统,从而实现对散热温度的有效控制,在工艺装备、技术、研发能力均居国内先进水平。

E. 请问 激光冷却法 的原理

激光冷却
只说原理 激光冷却法的基本原理是 光压 在光的传播路径上会对物质产生一定压力 称之为 光压 在进行冷却的时候用多束激光从不同方向照射目标体 使其粒子受到光压的作用 以阻止其热振动 以打到冷却的效果 激光冷却法是现在最先进的冷却方法之一 可以打到非常接近绝对零度的超低温

众所周知,激光是高功率的光束,它能产生高温,因而有激光手术、激光焊接等应用。但是激光居然还能用来冷却,而且可以冷却到绝对温度百万分之一度以下,却似乎有点不太好理解。
激光冷却涉及到多个物理原理,概括起来主要有光的多普勒效应、原子能级量子化、光具有动量。另外,激光的高度单色性和可调激光技术也非常重要。
光的多普勒效应是指,如果你迎着光源的方向运动,观察到光的频率将会增加;如果背离光源方向运动,观察到的光的频率将会降低。
原子可以吸收电磁辐射的能量,使其本身的能量升高;也可以释放出电磁辐射,同时自身的能量降低。原子的能级量子化,是指原子只能吸收和放出某些特定频率的电磁波。按量子理论,电磁波的能量只能以某种不可分割的单位--能量子--与别的物质相作用。而每一份能量子所含的能量正比电磁波的频率,所以,只吸收和释放某些特定频率的电磁波,就意味着原子的能量只能取某些特定的值,故称为能级量子化。
光与其它实物粒子一样,也具有动量。当一个原子吸收一份电磁波的能量子(即光子)时,它同时也获得了一定的动量。光的动量与光的波长成反比,方向与光的传播方向相一致。
现在假设某种原子只吸收频率为f0的电磁波。如果我们把激光的频率调在略小于f0的频率上(可调激光技术可以让我们精确地调节所需激光的频率),并把这样一束激光射在由那种原子组成的样品上,将会发生什么现象呢?
我们知道,在高于绝对零度的任何温度下,组成样品的原子都在作无规则的热运动。当其中某个原子的运动方向指向激光的光源时,由于多普勒效应,在这个原子看来激光的频率会略高一些。因为我们把激光的频率调在略低于f0,多普勒效应可以使得飞向光源方向的原子看到的激光频率正好等于f0。这样,这个原子就有可能吸收激光的能量。在它吸收能量时,它同时也获得了动量。由于激光传播的方向与原子运动的方向相反,获得的动量将使原子的运动速度变慢。
如果另一个原子的运动方向背离激光的光源时,由于多普勒效应,这个原子看到的激光频率将降低,这样将更加远离它能吸收的电磁波的频率,所以这个原子不会吸收激光的能量,也不会从激光那里获得使它加速的动量。
如果我们多设置几个激光源,从多个方向照射那个样品。那么按上面的分析,无论样品的原子往哪个方向运动,它都只吸收迎面而来的激光,因而其运动速度总是被降低。这些原子就好象处在粘稠的糖浆中,它的运动一直受到阻挠,直到几乎完全停止。所以激光冷却装置又被称为“光学糖浆”。
这样,在激光的照射下,组成样品的原子的热运动速度不断降低,它的温度也就不断地降低。那么用这种办法有没有可能达到绝对零度呢?答案是否定的。因为样品原子在吸收了光子之后,其自身能级将升高,因而并不稳定。它会再次释放光子,使自己处于更稳定的状态。释放光子时,它也会失去一部分动量,从而产生相反方向的加速。释放光子的方向是随机的,所以在长期平均来看,它并不产生净的加速。但是它毕竟使原子获得了随机的瞬间速度,这本身也是一种热运动,所以要达到绝对零度是不可能的。只是这种热运动的幅度很小,其对应的温度对大多数原子来讲在千分之一开以下。

激光制冷
大家都知道激光有亮度高的特点,利用这个特点可以在极短的时间内在极小的范围内使被激光照射的物体接受到极高的能量.用这种技术可以进行金属焊接和施行人体手术等.而现在科学家们还能利用激光制冷,并把研究对象的温度降低到只有几微开(10-6K),已经非常接近绝对零度了.
激光冷却技术的原理可以用右图说明.图中激光束a和激光束b相向传播,光的频率相同,都略低于原子吸收光谱线的中心频率,即比原子的共振吸收频率低一些.现在考虑一个往右方运动的原子A,这个原子是迎着激光束b运动的,根据多普勒效应,这个原子感受到的激光束b的频率升高,即激光束b的频率进一步接近了原子的共振吸收峰值的位置.原子从激光束b吸收光子的几率增大.这个原子的运动方向和激光束a的传播方向相同,所以它感受到激光束a的频率减小,根据多普勒效应,这个原子感受到的激光束a的频率降低,即激光束a的频率进一步远离了原子的共振吸收峰值的位置,原子从激光束a吸收光子的几率减小.着意味着原子A将受到把它往左推的作用力,阻止它往右运动,即原子A的速度减慢.同样,图中向左运动的原子B将受到激光束a的推力,阻止它向左运动,运动速度也减慢.那么,用上下,左右,前后三对这样的激光束,就可以让朝各个方向运动的原子都减慢运动速度.而物体的温度正是由物体分子平均动能的标志,所以这种方法能够达到制冷的目的.目前,用这个办法已经可以把原子冷却到微开.

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