激光制冷原理

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。

还有一件事让人意想不到，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。近几十年来，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作到这一点。

利用光使大的物体冷却的想法是德国物理学家晋林希姆在1929年首先提出的。他的想法是当物质发射荧光时，它会变冷。当分子吸收光时，它的电子就受激。这个新的状态是不稳定的，分子必须失去多余的能量。要作到这一点，可通过使分子发生永久性化学变化（如拆开一个键），或者是将分子升温，使它和周围环境变热。多余的能量会以光的形式离开分子。

通过使荧光离开全部能量，比吸收的能量更多，冷却便可实现。其方法便是对激光束中光子的能量进行挑选，以便它只被材料中那些已经具有某种能量的分子所吸收，以首先实现对这些分子的“加热”。

利用统计方法可以看到，物质中有一小部分分子总是比其他分子温度高。当它们吸收光子时，它们就受激进入更高一级的能态。在有些材料中这时荧光会把分子带到比它们原来的能级更低，即更“冷”的振动态。离开分子的光于是便比被吸收的光含有更多的能，这种情况被称为反斯托克斯荧光。

在理论上普林希姆的想法很好，但是实践起来却困难重重。主要的难点在于要找到一种合适的荧光材料并把它固定在一个能让所有的入射光都被吸收和让所有的荧光都被放出的“清澈”的固体上。