将强激光射在物体上，似乎是将该物体致冷的一种不可思议的方法。而现代高技术致冷机正是想这么做的。

你几乎随处能见到激光留下的标记。用激光束能进行精细的外科手术，或用于精巧的小的粒子加速器。在实验室里，它能再现太阳表面的白热状态。但你最寄希望于激光去完成的却是将材料的热量排除，使之几乎冷却到像冥王星那样的冰冻状态。

说也奇怪，最新的致冷技术就是这么做的。美国的研究者现在已制成了激光致冷机的原型，希望放在人造卫星上使用。最后，激光束可以用于冷却超导体和光学计算机这类器物。

从原子尺度上看，几十年来激光一直在将物质冷却着，这称为多普勒致冷技术。这是用光子使原子的运动减慢下来，非常像迎着足球射出许多乒乓球会使后者渐渐变慢一样、能量从原子向光子转移便可将原子致冷，大致达到绝对零度之上的百万分之一度之下。但这只是在最微小尺度上工作的。

用光来冷却大物体的想法首先是由德国物理学家彼得•普林舍姆（Peter Pringsheim）在1929年提出来的。他的想法是这类物体发出荧光时其中的物质便能冷却。分子吸收光后，它的电子便被激发。这种新状态是不稳定的，分子要失去额外的能贵。使分子作持久的化学变化便能做到这一点，例如打破某一个化学键，便可将能量变为热，而将分子及其周围环境加热。否则，多余的能量便会作为光子而离开分子，这便是荧光现象。

如果确保作为荧光而失去的总能量大于所吸收的能量，便可能实现净冷却。如果选择一束激光的光子能量使之只被物体中一部分分子吸收，而假如这些分子已拥有一些振荡能觉，即它们已经“热”起来了，这便能做到了。从统计上说，物体之中总有少量分子比其它分子热些。如果这少量分子吸收了光子，它们便被激发而处于较高能态、

冷 态

在某些材料中，荧光现象会使分子处于较原来所处更低能的振荡状态，即冷态。这时，离开分子的光所含有的能量比被吸收的光更多。这称为反斯托克斯荧光现象。假如全部被吸收的能量都以荧光出现，而没有一点用于将材料加热，则以光的形式排出热便应该是可能的。

普林舍姆的设想在理论上是巧妙的，但在实际应用中却隐藏着许多困难。主要障碍是寻找一种合适的荧光材料并将其固定在一种纯净固体之上，使之能将全部光吸收于内，再将全部荧光放出于外。但是现在新墨西哥州洛斯•阿拉莫斯国家实验室的一个研究小组已经首次用这种方法将一固体冷却。里查德•爱泼斯坦（Richard Epstein）、蒂姆•高斯奈尔（Tim Gosnell）及其同事们将一束大功率红外激光聚焦到一块“涂布”了镱（Yb3+）离子的玻璃衬底上去。他们特别挑选了镱是由于其高效率的荧光发射和简单的电子结构，以减少被吸收的能量以热的形式消耗于内部。

1995年期间，在对一根火柴棒大小的玻璃块的实验中，爱泼斯坦的小组所达到的热损失率为激光器光功率的2%，优于用多普勒致冷气体时所达到效能的10000倍。按高斯奈尔的说法，成功的秘密之一是玻璃衬底的高纯度，它保证了不会将这种激光散射或吸收掉。他说：“碰巧现在我们有制造得极好地纯净玻璃光学纤维”。这种玻璃的温度只下降了0.3℃，但是研究者使用光学纤维代替玻璃块时便增大了被吸收的激光量，他们已能将样品冷却到室温之下的16℃。

爱泼斯坦和他的同事后来改进和扩大了他们的技术，用一对具有先进制作工艺水平的反射镜构成一个空腔。这一对镜子包围着一块大约3公分宽的涂镱玻璃。镜子对镱的荧光是透明的，所以能量可自由离去。但它们反射丁红外光，因而热不能从外部进入，它们也反射了激光束，所以在此空腔之内壁上不断反射着激光，使致冷更加有效。在这个原型腔体之内，涂镱玻璃的散热量为0.5瓦。研究者预测在对空腔作精密调整之后，应当致冷的温度可达60开氏温标（约-210℃）之低。爱泼斯坦是乐观的，他说：“一年内我们会有一台真正的致冷机”。

至于它首选的应用，爱泼斯坦注视着天空说：“我们首选的位置可能在空间，冷却人造卫星上敏感的探测器和电子器件”。有些发热的器件会发出红外辐射。这对天文学研究中的红外探测器是一个问题，例如，因为来自发热设备的“噪音”能将来自天体的信号淹没。所以有效地冷却红外探测器极为重要。

到现在为止，卫星电子系统用以冷却运行中的探测器主要是靠液化气瓶，液化气蒸发完毕要几年时间。更长期飞行的卫星可使用机械热泵，但电机的振动和电力干扰会影响红外传感器，必须悉心加以防止。由于没有运动部件，激光致冷器可能是最佳选择。科罗拉多州布尔德地球航天技术公司的阿伦•莫尔德（Allan Mord）预测：“这类装置的致冷能力不久就会和当今使用的致冷机不相上下”，该公司的目的是将爱泼斯坦的激光致冷器送入太空。

与爱泼斯坦和莫尔德的乐观展望不同，高斯奈尔则更为谨慎。他是从不断轰击着人造卫星的高能粒子和空间辐射的宇宙线来看问题的。他认为宇宙线可能损坏镱或玻璃，打乱敏感的光化学平衡，增大被吸收的光再变为热的比例。他告诫道：“实际的空间应用还远得很，可能要10年以上”，但他认为在此期间会有许多有兴趣的物理学家从事这项工作。

黄辉光

大致在爱泼斯坦首次实验的前后，伦敦皇家学院的一个小组也在无意中弄清了激光致冷问题。化学家盖里•拉贝尔斯（Garry Rumbles）和乔尼•克拉克（Joanne Clark）注意到用红色激光照射涂布了盐基桃红的聚合物胶片能产生黄色荧光。

拉贝尔斯说：“当我们一点一点地将聚合物胶片冷却时，黄色荧光便消失了。这便暗示了‘热’分子的吸收是其原因”。如果将“热”分子冷却，便意味着它们不再吸收光，因此荧光不见了。研究者使用了一种液态试样，其中甚至加入更多的染料时，这种样品冷却了4℃。

这一次正相反，拉贝尔斯和克拉克已经找到一种利用这种效应的方法。1995年，他们设计了一种灵敏的温度计并取得专利权，以涂了荧光染料的光学纤维为材料制造激光器和简单的光探测器，由于能觉察出产生了多少荧光，便能测量出光学纤维内0.02℃那么微小的温度变化。在对金属有腐蚀作用的环境下使用无金属零件可能是理想的。

拉贝尔斯预见到激光致冷的其它用途，例如用于光学计算部件。某些材料在强光下变热并受到破坏，选择合适的材料和照射的激光，这些材料反倒会冷下来。由于装置变冷，便有一些“热”分子去吸收激光能量，因而冷却速度是慢的。换句话说，这种材料具有某种内在的“恒温器”。

拉贝尔斯说：“我们最终会得到稳定的、能自调整的光学计算用的材料”。或许这类装置能用于冷却超导体。由于上述这些科研活动，激光致冷器的前景是光明的，甚至是灿烂的。

［New Scientist，1997年1月18日］