光纖激光打標(biāo)機(jī)的激光制冷原理分析
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(yùn)動(dòng)的劇烈程度。眾所周知，我們周圍的一切分子和原子都在進(jìn)行著永不停息的無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)。而我們制冷的實(shí)質(zhì)就是降低這些分子或原子的總體上的熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，光纖激光打標(biāo)機(jī)。
1、激光制冷中的一個(gè)很重要的技術(shù)就是多普勒冷卻技術(shù)，多普勒冷卻技術(shù)的原理就是通過激光發(fā)出光子來阻礙原子的熱運(yùn)動(dòng)，而這個(gè)阻礙過程則是通過減小原子的動(dòng)量來實(shí)現(xiàn)的。那么，激光究竟是如何來減小這些原子的動(dòng)量呢?
首先，量子力學(xué)提出，原子只能吸收特定頻率的光子，從而改變其動(dòng)量。多普勒效應(yīng)指出，波在波源移向觀察者時(shí)頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)頻率變低。當(dāng)觀察者移動(dòng)時(shí)也能得到同樣的結(jié)論。
同樣，對(duì)于原子也是如此，當(dāng)原子的運(yùn)動(dòng)方向與光子運(yùn)動(dòng)相反時(shí)，則此光子的頻率將增大，而當(dāng)原子運(yùn)動(dòng)方向于此光子運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，則此光子頻率將減小。然后的話，另一個(gè)物理學(xué)原理就是光雖然沒有靜質(zhì)量，但其具有動(dòng)量。那么綜合以上幾個(gè)個(gè)物理學(xué)特性，我們就能構(gòu)建出激光冷卻的簡(jiǎn)單模型。
2、激光器的頻率在一定范圍內(nèi)是可調(diào)的，而把激光器的頻率調(diào)至略低于某原子的可以吸收的頻率時(shí)，就會(huì)有意想不到的結(jié)果。當(dāng)用這樣一束光照射某一特定的原子時(shí)，就會(huì)發(fā)生這樣的情況。如果原子是向著激光束運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于光的多普勒效應(yīng)，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(shí)由于多普勒效應(yīng)則剛好被原子吸收。
而這一吸收表現(xiàn)為動(dòng)量改變。因?yàn)楣庾拥倪\(yùn)動(dòng)方向與原子的運(yùn)動(dòng)方向相反，則在光子與原子碰撞之后，原子躍遷到激發(fā)態(tài)，并且動(dòng)量減小，故動(dòng)能也隨之減小。而對(duì)于其他運(yùn)動(dòng)方向的原子，則其對(duì)應(yīng)的光子的頻率不會(huì)增加，所以不能吸收激光束中的光子，所以也不會(huì)有動(dòng)量增加這一現(xiàn)象的發(fā)生，相對(duì)于動(dòng)能來講也是一樣。
當(dāng)我們用多束激光從不同角度來照射原子，則在不同運(yùn)動(dòng)方向上的原子的動(dòng)量都會(huì)減小，從而動(dòng)能減小。而由于在激光只減小原子的動(dòng)量，所以在此過程持續(xù)一段時(shí)間后，大多數(shù)的原子的動(dòng)量就會(huì)達(dá)到一個(gè)很低的水準(zhǔn)，從而達(dá)到制冷的目的。
但此技術(shù)所應(yīng)用的范圍大多是用于原子冷卻，而對(duì)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?yàn)槠鋵傩愿鼮閺?fù)雜。目前，冷卻分子的方法是將超冷堿原子結(jié)合在一起，產(chǎn)生雙堿分子。不久之前，耶魯大學(xué)就曾經(jīng)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(fā)展的新概念的制冷方法其基本原理是反斯托克斯效應(yīng)，利用散射與入射光子的能量差實(shí)現(xiàn)制冷。反斯托克斯效應(yīng)是一種特殊的散射效應(yīng)，其散射熒光光子波長(zhǎng)比入射光子波長(zhǎng)短。
因此，散射熒光光子能量高于入射光子能量，其過程可簡(jiǎn)單理解為：用低能量激光光子激發(fā)發(fā)光介質(zhì)，發(fā)光介質(zhì)散射出高能量的光子，將發(fā)光介質(zhì)中的原有能量帶出介質(zhì)而制冷。與傳統(tǒng)制冷方式相比，激光起到了提供制冷動(dòng)力的作用，而散射出的反斯托克斯熒光則是熱量載體。
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