激光制冷的发展、应用及其它制冷技术

制冷技术在促进国民经济建设以及推动科学技术发展中具有极其重要的作用，在农业方面，如在水果蔬菜产区，储存水果蔬菜即需要大量的冷库寻找和开发更优越的低温制冷技术一直是农产品储藏领域的研究热点。

随着科技的进步和人们生活水平的不断提高，与国计民生息息相关的制冷空调行业也面临着新的机遇和挑战，传统的制冷方式也逐渐暴露出其缺点和不足，尤其是限制破坏臭氧层物质和温室效应气体相关协定的出台，对蒸汽压缩式制冷方式提出了严峻的考验。

不管是超导还是BEC，超低温都是其必不可少的条件。从热力学开创至发展以来。绝对零度一直是一个可望而不可及的温度，尽管我们不可达到，但我们都试图去接近它。不仅是在热力学，在其他领域，绝对零度都是一个很值得去深究的问题。我们通过一些超低温实验来验证或者发现某些规律。而激光制冷具有无振动、无噪声、无电磁辐射、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、环保等优点，是我们努力研究的制冷方向，是通向超低温领域的一个必不可少的途径。

一、激光制冷原理

激光制冷原理有两种：多普勒制冷技术和反斯托克斯荧光制冷技术。

1. 温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。众所周知，我们周围的一切分子和原子都在进行着永不停息的无规则的热运动。而我们制冷的实质就是降低这些分子或原子的总体上的热运动的剧烈程度。

激光制冷中的一个很重要的技术就是多普勒冷却技术，多普勒冷却技术的原理就是通过激光发出光子来阻碍原子的热运动，而这个阻碍过程则是通过减小原子的动量来实现的。那么，激光究竟是如何来减小这些原子的动量呢？

首先，量子力学提出，原子只能吸收特定频率的光子，从而改变其动量。多普勒效应指出，波在波源移向观察者时频率变高，而在波源远离观察者时频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。同样，对于原子也是如此，当原子的运动方向与光子运动相反时，则此光子的频率将增大，而当原子运动方向于此光子运动方向相同时，则此光子频率将减小。然后的话，另一个物理学原理就是光虽然没有静质量，但其具有动量。那么综合以上几个个物理学特性，我们就能构建出激光冷却的简单模型。

激光器的频率在一定范围内是可调的，而把激光器的频率调至略低于某原子的可以吸收的频率时，就会有意想不到的结果。当用这样一束光照射某一特定的原子时，就会发生这样的情况。

如果原子是向着激光束运动时，由于光的多普勒效应，则光子的频率增加，而原来激光光子的频率刚好是略小于原子的可吸收的频率，则此时由于多普勒效应则刚好被原子吸收。而这一吸收表现为动量改变。

因为光子的运动方向与原子的运动方向相反，则在光子与原子碰撞之后，原子跃迁到激发态，并且动量减小，故动能也随之减小。而对于其他运动方向的原子，则其对应的光子的频率不会增加，所以不能吸收激光束中的光子，所以也不会有动量增加这一现象的发生，相对于动能来讲也是一样。

当我们用多束激光从不同角度来照射原子，则在不同运动方向上的原子的动量都会减小，从而动能减小。而由于在激光只减小原子的动量，所以在此过程持续一段时间后，大多数的原子的动量就会达到一个很低的水准，从而达到制冷的目的。

但此技术所应用的范围大多是用于原子冷却，而对于分子，这种方法很难将其冷却到超低温。但超冷分子比超冷原子的意义更大，因为其属性更为复杂。目前，冷却分子的方法是将超冷碱原子结合在一起，产生双碱分子。不久之前，耶鲁大学就曾经将氟化锶（SrF）冷却到几百微开。

2. 另一种激光制冷也称反斯托克斯荧光制冷（AntistokesFluorescentCooling），是正在发展的新概念的制冷方法其基本原理是反斯托克斯效应，利用散射与入射光子的能量差实现制冷。

反斯托克斯效应是一种特殊的散射效应，其散射荧光光子波长比入射光子波长短因此，散射荧光光子能量高于入射光子能量，其过程可简单理解为：用低能量激光光子激发发光介质，发光介质散射出高能量的光子，将发光介质中的原有能量带出介质而制冷。与传统制冷方式相比，激光起到了提供制冷动力的作用，而散射出的反斯托克斯荧光则是热量载体。

由于制冷材料对泵浦光的吸收有限，激光冷却材料一般含有杂质离子如Cu2+Co2+Cr3+，杂质中心会导致荧光猝灭和非辐射的多声子驰豫振荡和竞争，从而导致制冷效率降低，当前试验效率均不高于3%

目前国内外研究主要集中在：

①进一步深化理论研究，寻找更适合能级结构的原子离子或其他基团，作为制冷元件的荧光中心，以提高制冷循环的制冷量和制冷系数；

②优化光路设计，提高激光利用率；

③提高介质纯度，减少杂质引起的制冷消耗；

④改进系统设计，提高系统绝热系数，优化系统整体结构。

二、激光制冷的发展

1. 普勒激光制冷的发展

1975年，T.W.Hānsch和A.L.Schawlow首先建议用相向传播的激光束使中性原子冷却。他们的方法是：把激光束调谐到略低于原子的谐振跃迁频率，利用多普勒原理就可使中性原子冷却。

1985年，华裔科学家朱棣文和他的同事在美国新泽西州荷尔德尔（Holmdel）的贝尔实验室进一步用两两相对互相垂直的六束激光使原子减速。

他们让真空中的一束钠原子先是被迎面而来的激光束阻碍下来，之后把钠原子引进六束激光的交汇处。这六束激光都比静止钠原子吸收的特征波长长一些。而其效果就是不管钠原子向何方运动，都会遇上具有恰当能量的光子，并被推回到六束激光交汇的区域。

从而在这个小区域里，聚集了大量的冷却下来的原子，组成了肉眼看去像是豌豆大小的发光的气团。由六束激光组成的阻尼机制就像某种粘稠的液体，原子陷入其中会不断降低速度。大家给这种机制起了一个绰号，叫“光学粘胶”。但由于重力的作用，这一现象并为维持多久，因为其并未使原子陷俘。

1987年，磁光陷阱被做成，从而有了新的突破，它是用上述六束激光再加上两个线圈组成。线圈产生微小变化的磁场，该磁场最小值处于激光相交的位置，由于塞曼效应。就会产生一个比重力大的力，从而把原子拉回到陷阱中心。从而原子被约束在一个很小的区域。以便科学研究。

亚多普勒冷却

从多普勒激光冷却原理可知，多普勒激光冷却是有一个温度极限的，但是，科学家们却发现冷却的原子温度却低于这个极限温度。于是，又产生了亚多普勒冷却。

1988年初，菲利普斯和他在美国国家标准技术院的小组研究了在光学粘胶中缓慢运动的中性钠原子冷云团。他们发现，原子的温度约为40μK，比预计的多普勒极限240μK低得多。

他们还发现，最低的温度是在与理论多普勒极限的条件相矛盾的条件下得到的。之后，科学家们便作出了产生这一现象的理论解释。原来多普勒冷却和多普勒极限的理论是假设原子具有简单的二能级谱。可是实际上真正的钠原子都具有好几个塞曼子能级，不但在基态，而且在激发态也是如此。

基态子能级可以用光泵方法激发，也就是说，激光能够把钠原子转变为按子能级布居的不同分布，并引起新的冷却机制。这种布居分布的细节依赖于激光的偏振态，而在光学粘胶中，在光学波长量级的距离里偏振态会发生快速的变化。故而，人们将这种新的冷却机制称为“偏振梯度冷却”。

1989年，菲利普斯访问巴黎，他与高等师范学院的小组合作，共同证明了中性铯原子可以冷却到2.5μK。他们发现，和多普勒冷却一样，其它类型的激光冷却也有相应的极限。

以从单个光子反冲而得的速度运动的一团原子所相当的温度就叫反冲极限。之后为了突破这一极限，法国的研究小组和美国斯坦福大学的研究小组分别提出了速度选择相干布居数囚禁（VSCPT，VelocitySelectiveCoherentPopulationTrapping）和拉曼跃迁冷却（RamanCooling）的冷却方案。

2010年，科学家使用激光，把分子冷冻到接近绝对零度，这是单分子激光制冷首次达到这样的低温。向控制物质化学物理过程，制造量子计算机迈进了一大步。

上世纪七八十年代，物理学家就能将原子冷却到非常接近绝对零度的低温。基本原理就是用激光作用在原子上使之减速。当原子被冷冻到接近绝对零度时，它们就会遵守特殊的量子力学定律。在与它们的低能级相应的状态下振动，这被用作超敏加速计和量子钟，原子本身也会粘在一起形成一种“超级原子”，这就是著名的“玻色—爱因斯坦凝聚”。

对分子制冷要比对单个原子更加复杂。原子可以通过激光来制冷，因为来自激光束的光粒子被吸收后，原子会重新发出一个光子，从而减少动能。经过上千次这种反应滞后，原子就被冷冻在绝对零度附近十亿分之几的范围内。但分子比原子更重，更难对激光起反应。而且，分子会以原子键和旋转、自旋的方式储存能量，这些因素都让分子很难变冷。

2. 反斯托克斯荧光制冷的发展

早在1929年，PPringsheim就提出通过反斯托克斯荧光对材料进行制冷的设想，但遭到SV当日咯烷等人的强烈反对。其后，他与反对派物理学家SVdrilow等人进行了长达16年的论战，论战的焦点主要在于该制冷方法是否违背热力学的基本原理。

1946年著名的物理学家LLandan利用热力学的基本原理，吧发光物体与光组成的系统作为热力学研究对象，证明了利用激光制冷是可能的。

1950年，法国学者AlfredKastler发现了“Lumino-caloric”效应。他紧紧报道了实验中系统温度升高的速度变小，没能观察到系统的温度降低。

1995年，美国LosAlamos国家实验室空间制冷技术研究组的Epstein及同事首次通过激光诱导反斯托克斯荧光在固体材料上成功地获得可测量的制冷量。

1999年，低温物理学家EFinkeipen利用掺杂蓝宝石激光器激发GaAs/GaAlAs半导体量子阱材料的空穴激子，实现空穴激子的反斯托克斯荧光发射，给出了不同温度下制冷效率与制冷温度的关系。

中国科学院激发态物理开放实验室的科研人员在理论研究中，先后提出了反斯托克斯荧光制冷的单中心制冷物理模型、能量传递模型及双机制并行的物理模型。

三、激光制冷应用与展望

首先，得介绍一下，在二十世纪七八十年代以后，科学家们在实验室能够达到的最低温度可用μK作单位的温度了。可想而知，激光冷却与我们科学研究的意义。激光制冷的优点是可冷却温度低，但其也有局限性，因为其可冷却空间极小。

激光制冷技术早期的主要目的是为了精确测量各种原子参数，用于高分辨率激光光谱和超高精度的量子频标（原子钟），后来成为实现原子玻色-爱因斯坦凝聚的关键实验方法。虽然早在20世纪初人们就注意到光对原子有辐射压力作用，只是在激光器发明之后，才发展了利用光压改变原子速度的技术。激光冷却有许多应用，如：原子光学、原子刻蚀、原子钟、光学晶格、光镊子、玻色-爱因斯坦凝聚、费米子凝聚态、原子激光、高分辨率光谱以及光和物质的相互作用的基础研究等等。然后还有最近的超冷分子，其为量子计算机的制造提供了可能性依据。

玻色-爱因斯坦凝聚

提到激光制冷就不得不提到BEC（Bose-Einsteincondensation）玻色-爱因斯坦凝聚。早在1924年印度物理学家玻色提出以不可分辨的n个全同粒子的新观念，并且将这篇论文寄给了爱因斯坦，进过对这一问题进行研究之后，预言当这类原子的温度足够低时，会有相变-新的物质状态产生，所有的原子会突然聚集在一种尽可能低的能量状态，这就是我们所说的玻色-爱因斯坦凝聚。

但由于一直无法使物质接近接近绝对零度，从而一直未观察到此状态。之后，从20世纪90年代以年来，由于大家所熟知的三位物理学家（Chu（朱棣文），Cohen，Phillips）的杰出工作，激光冷却与囚禁中性原子技术得到了极大发展，为玻色-爱因斯坦凝聚奇迹的实现提供了条件。直到1995年，人们从实验室获得了这一状态。

由于BEC的种种性质，我们可以利用BEC的这些特殊状态做出些通常物质无法做到的东西。这些原子组成的集体步调非常一致，因此内部没有任何阻力。

激光就是光子的玻爱凝聚，在一束细小的激光里拥挤着非常多的颜色和方向一致的光子流。超导和超流也都是玻爱凝聚的结果。又比如说原子凝聚体中的原子几乎不动，可以用来设计精确度更高的原子钟，以应用于太空航行和精确定位等。

玻爱凝聚态的原子物质表现出了光子一样的特性正是利用这种特性，前年哈佛大学的两个研究小组用玻色-爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零，将光储存了起来。除此之外，原子激光也是BEC产物。而且与此相对的费米子凝聚态也是通过BEC达到，其将促进人们对超导的研究。然而促成这一切的就是激光制冷。

超冷分子

这种超冷分子有助于科学家研究量子力学的化学属性。超低温度下，极性分子可被看作是微小的磁体，有着南北两极，研究人员可利用这一性质，构建一个反应系统，让极冷粒子在其中相互反应，而这用超冷原子是做不到的。

研究人员表示，最终超冷材料将应用在量子计算机上。由于超冷分子具有“磁体”特征，这意味着分子之间能通过磁场互相反应。使它们能执行分类量子计算，可能会突破现有计算机的编码和解码问题，实现量子重叠与牵连原理产生的巨大计算能力。这是当前最大的超级计算机由于物理化学方面的限制而无法实现的。

量子计算机（quantumcomputer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。

量子计算机是通过量子分裂式、量子修补式来进行一系列的大规模高精确度的运算的。其浮点运算性能是普通家用电脑的CPU所无法比拟的，量子计算机大规模运算的方式其实就类似于普通电脑的批处理程序，其运算方式简单来说就是通过大量的量子分裂，再进行高速的量子修补，但是其精确度和速度也是普通电脑望尘莫及的。

大规模集成电路

对于大规模或超大规模集成电路来说由于内部的电子元件数量巨大，往往发热都非常严重。对其制冷后，它可以在85℃以下正常工作，工作温度相对来说比较高。而较高的工作温度对于荧光制冷意味着比较高的制冷效率。

空间遥感领域

目前空间探测器上普遍使用的致冷方式主要有：辐射致冷，固体致冷，机械致冷等，但由于空间环境的特殊性，空间致冷必须具备质量轻，体积小，寿命长，低功耗，低振动，低电磁辐射等特点。以上几种方式均存在缺陷，而激光致冷完全具备以上特点，且寿命长。

激光制冷从提出至今不过几十年的发展，但其所在科研领域做出的贡献却是无可比拟的。它不仅涉及各个领域，而却通过超低温的实现，验证不少理论的完备性，并且通过超低温试验，使某些比较离奇的设想成为可能。然而，其也有很多不足，比如说冷却效率不高、冷却范围小等，这是值得我们去完善的。

制冷技术发展面临最重要的问题在于不断提高其环保和节能性能当前，激光制冷技术发展迅速，尽管还没能得到广泛的推广应用，但其优越性已得到了肯定，小范围的应用已比较普遍可以预见，激光制冷技术的研究发展必将极大地推动工农业生产的发展。

四、以下介绍目前国内外正在研制的新型制冷技术。

1. 半导体制冷

半导体制冷又称为热电制冷或温差电制冷，其理论主要依据是贝塞尔效应和珀尔贴效应其热电对由半导体材料制造，热电对有2条电偶臂，分别用P型和N型半导体制造电偶臂的两端均有金属片，称为汇流条当有电流流经热电对时，在其两端处会产生帕尔贴效应，一面形成冷端，另一面形成热端，冷端从外界吸热，热端对外放热把这样的热电偶串联到电路中，借助于其他传热器件，使热电制冷组件的热端不断放热，把其冷端放到需要的工作环境中即可降温。

半导体制冷无机械运动无磨损无噪音运行可靠制冷迅速，可做成重量轻体积小的微型亚微型小型半导体制冷器它不使用制冷剂，绿色环保，可在失重或超重等极端环境下运行，而且便于通过工作电流来实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制方法，容易实现遥控程控，便于自动化；其缺点是制冷效率较低。

当前，其研究集中在对半导体材料的研发模块设计制造和系统优化设计等方面影响其制冷效率的主要因素是材料的电导率和热导率其在工业医疗军事航空日用品等多方面有着广阔应用前景：

①工业热电制冷零点基准仪的应用就是对传统以冰块作为零度基准点的重大创新；

②医疗可用于对高烧病人的降温，在外科手术中实施冷冻麻醉等；

③军事应用于导弹雷达装置中红外探测器的冷却等；

④航空太空望远镜的热设计中就利用了半导体制冷，其正被研究应用于控制红外探测器的工作温度提高光纤陀螺惯导系统温度稳定性迅速达到稳定工作状态方面；

⑤日用品日常生活中，半导体制冷可用于冰箱空调电脑CPU散热；对温度反应灵敏使用条件严格的电子元器件，用半导体制冷很适合在高精尖科技领域内，常对各种电子元器件的温度性能要求很高，为了定标测量标准电子元器件的温度性能，国产超级恒温槽采用半导体制冷，温度控制精度可在0.005左右此外具有我国自主知识产权的高效半导体热电元件其优值系数已在原来的基础上成倍增长，可超过1.310-2K，现在高效的半导体制冷器在温差50时，制冷系数大于3，制冷效率高于常规压缩机。

2. 磁制冷

磁制冷（又称磁卡效应，Magneto-CaloricEffect）即利用磁热效应制冷磁制冷工质在等温磁化时向外界放出热量，而绝热去磁时从外界吸收热量对与铁磁性材料，磁热效应在其居里温度（磁有序-无序转变的温度）附近最为显著，当作用有外磁场时，该材料的磁熵值降低并放热；反之当去除外磁场时，材料的磁熵值升高并吸热。

它采用磁性物质作为制冷工质，也不导致温室效应其运动部件少，减小了机械振动和噪声，可靠性高，效率高（能达到卡诺循环的30％60%）其应用范围广，从KmK直到室温以上均适用；在低温（制取液氮液氦液氢）领域和高温（特别是近室温）领域都有广泛应用前景。当前，低温区（20K以下）磁制冷的研究已比较成熟并实用化高温区磁制冷还处于试验研究开发阶段，目前80K至室温的磁制冷技术是研究的热点研究出低成本且具有巨磁卡效应的材料以及利用NdFeB等永磁体产生外场（不用结构复杂而昂贵的超导磁体）是室温磁制冷关键。

面临的主要困难：①每次磁制冷循环所产生的温差还不够大，只有13K，磁性材料磁熵太小；②热交换速度不够快，使制冷周期延长，整个循环效率下降；③室温条件下，不利用超导技术，仍利用电磁铁或稀土永磁材料产生磁场，则两磁极面总存在空气隙，进入磁场的磁制冷材料有限，这要求有绝热效果好的隔热层。

其突破方向：①磁场分析，完善磁体结构；②针对相应的温区选择换热介质，设计出最佳的热开关或换热回路，提高换热效率；③制冷材料的研制，通过改进工艺和材料重组制备性能更优越的材料。

磁制冷技术可广泛应用于木本植物高体革鯻精子怀山药种质资源的包埋玻璃化茅苍术种质资源等的超低温保存，以及水果冷冻贮藏方面此外在极低温和液化氦等小型装置中，其高效无污染无噪声等众多特点使其在未来的太空开发和民用需要方面让人充满期待；在要求制冷源设备重量轻振动和噪音小操作方便可靠性高工作周期长工作温度和冷量范围广的国防领域也有很好前景。

3. 化学吸附式制冷

化学吸附是吸附质分子与吸附剂表面原子发生化学反应，生成表面络合物的过程无规则运动的气态吸附质分子与固体表面发生碰撞，如果是弹性碰撞，则气相与固相表面均不发生可察觉变化；若发生非弹性碰撞，气相分子一部分能量将被固相分子吸收当气态分子与表面碰撞损失的能量超过某一临界值后，分子将没有能力爬出表面势阱而被俘获一个基本的化学吸附式制冷系统由吸附反应器和冷凝器蒸发器构成，工作过程由加热解吸和冷却吸附组成。

吸附式制冷采用低品位能源（太阳能和废热）作驱动源，工质对环境无污染其整体结构简单可靠，操作方便，无运动部件，使用寿命长，运转费用低廉，无噪声，特别适用于无电地区有大量低品位余热排放的工业过程及震动频繁的移动机械上。当前对吸附制冷的研究主要集中在对吸附特性和循环特性的理论分析上由于化学吸附工质的使用寿命短，反应速度慢，系统的导热效率低，使得吸附制冷的发展和推广利用受到限制。

近年来，化学吸附制冷技术得到了初步应用如法国国家科学研究中心研制了化学吸附供热/制冷机组，其容量为制热60kWh制冷40kWh；上海交通大学研制出了以氯化钙/活性炭-氨为工质对的高效复合交变热管型化学吸附制冰机组该技术以其绿色环保节能等优势，在农业生产科技制冷空调领域具良好发展潜力，在低品位热能回收再利用及太阳能等新能源开发方面具有广阔应用前景。

4. 热声制冷

热声效应即可压缩流体的声振荡与固体介质由于相互作用而产生时均能量效应当处于声场中的固体介质与振荡的流体之间有相互作用时，在距固体壁面一定范围内沿声波传播的方向会产生一个时均热流，并在该区域内产生或吸收声功。

热声制冷分线性制冷和非线性制冷两种线性热声理论已经成熟，非线性热声理论的研究也不断取得发展，热声制冷机正朝着利用低品位能源的目标前进。热声制冷具环保结构简单无可动部件运行可靠等优点，使其在食品冷冻冷藏天然气液化普冷领域空调回收掩埋式垃圾场产生的可燃性气体以及石油液化分离等方面有广阔的应用前景。

近几年，热声理论与试验同步进行，取得了很大进展国外正在开发微型热声制冷装置，利用压电驱动器来驱动与微制造结合的热声元件和谐振腔，应用于微电子芯片和微电子电路系统的散热冷却目前样机使用一个大气压的空气工质，压电喇叭作为声驱动器，制冷温差达到11；由于其仅是试验样机，还有许多改进空间（如用其他惰性气体提高工质的均压及改进谐振腔形状等）。

5. 太阳能制冷

主要类型及原理主要有吸收式吸附式冷管式除湿式喷射式和光伏等制冷类型。

6. 辐射制冷

陆地地面将自身热量以电磁波形式辐射到外太空，达到自身冷却的目的辐射制冷技术在太阳能的热技术利用中已引起了广泛注意实现辐射制冷的方法主要有2种：①透明盖板和选择性辐射体的组合；②具有选择透过特性的盖板与黑体辐射体的组合。

7. 噪声制冷

利用微弱的声掀动来制冷的新技术，当前第一台样机在美国已试制成功。

8. 铁电致冷

利用逆热释电效应-电生热效应，即在绝热条件下对铁电材料施加外电场，其温度发生变化的现象外加反向电场诱使极化后材料热熵熵值发生改变，由有序低能量状态进入无序混乱的高能量状态，从外界吸收能量使熵值增大，从而致冷。

9. 余热制冷

核心是化学压缩，直接利用一次能源（热能）驱动，几乎不需运动部件当前，利用余热驱动制冰机制冰用作小型冷库已经应用于渔轮，在氯碱生产中的应用也得到深入研究。

来源：OFweek激光