作為與計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體、原子能并稱(chēng)的二十世紀(jì)四大發(fā)明之一，激光技術(shù)已經(jīng)在許多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。不過(guò)，提到激光，大多數(shù)人能想到的往往是其在機(jī)械加工上的應(yīng)用。
其實(shí)，除了在工業(yè)切割、焊接、以及醫(yī)療美容上的應(yīng)用外。激光還有許多其它用途，比如在制冷上的應(yīng)用。激光冷卻這一概念最早于1962年由蘇聯(lián)學(xué)者提出，沉寂了一段時(shí)間后才被學(xué)界關(guān)注。1985年，著名的美國(guó)華裔科學(xué)家朱棣文使用激光冷凍原子，成功實(shí)現(xiàn)了低溫環(huán)境，并因這一發(fā)明而獲得1997年的物理學(xué)獎(jiǎng)。
1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主：朱棣文
多普勒冷卻技術(shù)
那么，激光為什么能夠制冷呢？通常情況下，物體的原子總是在做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，物理學(xué)上將其稱(chēng)為熱運(yùn)動(dòng)。原子的運(yùn)動(dòng)越劇烈，物體的溫度就會(huì)越高，相反則溫度低。因此，如果有方法能夠降低原子的運(yùn)動(dòng)速率，就能降低物體的溫度。激光制冷的原理大體上可以理解為：利用大量光子阻礙原子的運(yùn)動(dòng)，以降低原子的運(yùn)動(dòng)速率，進(jìn)而達(dá)到降低物體溫度的目的。
激光是能量高度集中的光束，由于它發(fā)出的光粒子具有統(tǒng)一的方向，所以這些粒子非常集中。當(dāng)激光束射入物體內(nèi)時(shí)，由于進(jìn)入的粒子數(shù)很多，使得物體內(nèi)的微粒變得非常擁擠，它們便不能像原來(lái)一樣“活蹦亂跳”了，從而降低了分子的熱運(yùn)動(dòng)，這種激光制冷技術(shù)被稱(chēng)為多普勒冷卻技術(shù)。
1995年，利用多普勒冷卻技術(shù)，達(dá)諾基小組將銫原子冷卻到了2．8nK的低溫。德國(guó)伯恩大學(xué)物理學(xué)家使用該項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了光子的高密度集中，這一技術(shù)在太陽(yáng)能電池上十分具有前景，能使太陽(yáng)能電池在陰天也能保持高效工作。
反斯托克斯熒光制冷技術(shù)
多普勒冷卻是激光制冷中最基本的機(jī)制，后來(lái)又發(fā)展出一種名為反斯托克斯熒光制冷技術(shù)，這種技術(shù)的理念最早由P.Pringsheim于1929年提出。這種制冷方法的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來(lái)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(guò)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。
1995年，美國(guó)LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室空間制冷技術(shù)研究組的Epstein及同事首次通過(guò)激光誘導(dǎo)反斯托克斯熒光在固體材料上成功地獲得可測(cè)量的制冷量。
1999年，低溫物理學(xué)家E.Finkeipen利用摻雜藍(lán)寶石激光器激發(fā)GaAs／GaAl半導(dǎo)體量子阱材料的空穴激子，實(shí)現(xiàn)空穴激子的反斯托克斯熒光發(fā)射，給出了不同溫度下制冷效率與制冷溫度的關(guān)系。
2010年，科學(xué)家使用激光，把分子冷凍到接近絕對(duì)零度，這是單分子激光制冷首次達(dá)到這樣的低溫，向控制物質(zhì)化學(xué)物理過(guò)程，制造量子計(jì)算機(jī)邁進(jìn)了一大步。
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，激光冷卻開(kāi)始獲得許多應(yīng)用。比如，原子光學(xué)、原子刻蝕、原子鐘、光鑷子、高分辨率等基礎(chǔ)研究。還可以使用這種技術(shù)進(jìn)行金屬焊接和施行人體手術(shù)。相信在未來(lái)，這種技術(shù)一定會(huì)得到更廣闊的應(yīng)用。