單分子－光子製冷泵的製作方法

2023-09-12 04:45:35 4

專利名稱：單分子－光子製冷泵的製作方法
技術領域：
本發明屬於雷射製冷技術領域，是一種單分子-光子製冷泵。
根據反斯託克斯螢光發射的原理，一個分子在特定的物理環境中由特定的波長進行光激發時，就會產生反斯託克斯螢光發射，從而，這個分子就降低了自己的能態或吸收了周圍基質的熱量並由反斯託克斯螢光帶走。因此，這時的單個分子就具有了製冷的功能。所以我們說，在特定的條件下單個分子可以成為一臺最小的制冷機。
七十年代W.H.Christianset和A.Hertzberg首先稱雷射製冷技術為「光子泵」(Photon Engine)技術。光子泵的概念明確地提出了在反斯託克斯螢光製冷技術中，帶走熱量的不是氣體或液體，而是一種特殊的物質-光子。從這一點上來說，反斯託克斯螢光製冷就完全不同於傳統的製冷方式。它用來製冷的「動力」源於光子，為了達到製冷目的而將熱量帶走的介質也是光子。由於以光子為動力和能量載體，反斯託克斯螢光製冷器將具有體積小，重量輕，無噪聲，無振動，無汙染，無電磁輻射等優點。
本發明的目的在於提供一個物質世界可以實現並可以控制的最小的單分子-光子製冷泵。
近些年，高科技手段已經在開始推進納米機械的發展，這對於醫療、空間技術、軍事科技都將產生劃時代的意義。然而，納米機械屬於高度集成的微觀領域，高度集成必然會帶來密集發熱的問題，單分子-光子泵會為解決這樣的問題提供可行的途徑。
分子組裝是目前科學研究的一個前沿，利用單分子-光子泵可以對組裝分子進行瞬態的局部製冷，以達到組裝匹配的目的。
單分子-光子泵在醫學上也有著重要的應用前景，它可以在細胞的量級上去控制分子尺度區域的溫度。
單分子-光子泵(Single Molecule-Photon Cryocooler)概念的意義在於發現了物質世界可能實現的並可以控制的最小的製冷泵。它是分子、原子或離子處於特殊的量子態時在與光子發生作用時所表現出來的一種特性。在科學研究和應用逐步進入微觀世界以後，用一個分子去行使製冷泵的功能無疑是具有非常重要意義的。微腔雷射器的發展更加地使得單分子-光子泵的應用前景有了特殊的意義。二者的組合可以真正地使得納米世界多了一種製冷的手段。
本發明採用雷射泵浦，使泵浦雷射光子同處於特殊量子態中的分子、原子或離子相互作用，也就是處於特殊的量子態的分子、原子或離子吸收泵浦光子，產生基態到激發態的躍遷，而後又由激發態躍遷到基態，並由發射反斯託克斯螢光光子的方式釋放出巨大的能量。上述所說的能量循環過程是指分子、原子或離子在基態時吸收聲子產生熱躍遷，進入基態中較高的能級，分子、原子或離子在激發時吸收聲子產生熱躍遷，進入激發態中較高能級。分子、原子或離子在基態或激發態吸收聲子進入基態或激發態較高能級上的躍遷，是一種熱躍遷，通過吸熱完成這一過程。因此，分子、原子或離子的周圍溫度隨熱躍遷的發生而降低。
下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。


圖1為本發明的原理圖，這是一個分子能態的位型坐標圖。圖中，1-分子的激發態能級；2-分子的基態能級；3-激發態能級中的振動子能級；4-基態能級中的振動子能級；5-泵浦雷射束；6-分子吸收泵浦光子後產生的基態到激發態的躍遷；7-分子處於激發態時吸收聲子後產生的熱躍遷；8-激發態到基態的輻射躍遷；9-激發態到基態的輻射躍遷所發射的反斯託克斯螢光光子；10-分子處於基態時吸收聲子後產生的熱躍遷。
圖2為本發明應用時的原理圖。11-泵浦雷射器；12-做為分子泵的單個分子；13-分子泵周圍的其它分子；本發明具體工作如下分子振動能級結構如圖1所示，1和2分別代表分子激發態和基態，系統在基態時處於下面拋物線的較高能級上，在激發態時處於上面拋物線的較低能級上。圖1還標出了我們用特殊的方式激發上述分子時所形成的能量循環過程。在這樣的循環裡能量是守恆的。具體的循環過程如下泵浦雷射束5激發分子的基態較高子能級的分子，使其躍遷到激發態的較低振動能級。處於激發態較低振動子能級上的分子有一定的機率通過吸收聲子躍遷到激發態的高振動態上。分子是通過吸熱來完成這個過程的。如果處於激發態較高振動子能級上的分子向下躍遷到基態的較低振動能級上時，分子則放出了一個比泵浦光子能量更高的高能光子。如果處於基態較低振動子能級上的分子再次吸收熱量並躍遷到基態的高振動態上，系統就形成了一個完整的能量循環過程，在這個循環中單分子損失了能量，而這些能量來源於分子的振動損失，即分子降低了能態，或者說降低了分子的「溫度」。
當然這樣的循環只是在特定的激發條件下才能完成的特例，並且依一定的機率而發生。經過這樣的能量循環，單個分子發射出反斯託克斯螢光，放出了更大能量的光子，熱量隨放出的光子被帶走，達到了製冷的目的。在以上的物理過程中，我們只考慮了在外來光子作用下單個分子的螢光發射行為。所考慮的單個分子完全具備了制冷機的特點，因此我們稱它為單分子-光子泵。這是目前物質世界能實現的最小的制冷機。它有可能在微機械、單分子物理學、介觀物理學、化學以及生物學等領域發揮重要的作用。
本發明泵浦雷射器，可以用He-Ne雷射器、鈦寶石雷射器、半導體雷射器，泵浦光波長為632.8納米，分子泵的單個分可以採用羅丹明101染料分子，如Y3+離子、Er3+離子、Tm3+離子、Ho3+離子。
下面以製冷乙醇分子為例進一步說明本發明。
在圖2中，用He-Ne雷射器(11)發出的泵浦雷射束(5)泵浦做為單分子-光子泵的羅丹明101染料分子(13)；吸收泵浦光子後，羅丹明101染料分子(13)被激發到激發態上，並在輻射躍遷的過程中發射出反斯託克斯螢光(14)；由於反斯託克斯螢光(14)的光子能量大於泵浦雷射束(12)的光子能量，因此帶走了羅丹明101染料分子(13)的能量，使它的能態降低了，即羅丹明101染料分子(13)將其自身的熱振動轉變成了光，使其周圍的乙醇分子(15)的熱振動減弱，羅丹明101染料分子(13)周圍的溫度降低了，達到了製冷的目的。
權利要求
1.一種單分子-光子製冷泵，其特徵是用特定波長的光激發處於基態能級(2)中較高振動子能級(4)上的分子泵的單個分子，該分子躍遷到激發態能級(1)上，而後吸收聲子躍遷到激發態能級(1)中的較高的振動子能級(3)上，以反斯託克斯螢光光子(9)的形式釋放能量，回到基態能級(2)，吸收聲子，熱躍遷到基態能級(2)中的較高振動子能級(4)上，完成一個製冷循環過程；所述的特定波長的光是泵浦雷射束(5)，分子泵的單個分子(12)採用羅丹明101染料分子，如Yb3+離子、Er3+離子、Tm3+離子、Ho3+離子。
2.根據權利要求1所述的單分子-光子製冷泵，其特徵是泵浦雷射束為He-Ne雷射器、鈦寶石雷射器、半導體雷射器發射的雷射。
全文摘要
本發明屬於雷射製冷技術領域,涉及一個物質世界可以實現並可以控制的最小的單分子－光子製冷泵。本發明根據反斯託克斯螢光發射的原理,一個分子在特定的物理環境中由特定的波長進行光激發時,就會產生反斯託克斯螢光發射,從而,這個分子就降低了自己的能態或吸收了周圍基質的熱量並由反斯託克斯螢光帶走。因此,這時的單個分子就具有了製冷的功能。本發明考慮了外來光子作用下單個分子的反斯託克斯螢光發射的行為,所考慮的單個分子完全具備制冷機的特點,因此這是目前物質世界能實現的最小的制冷機。它有可能在微機械,單分子物理學、介觀物理學、化學及生物學等領域發揮重要的作用。
文檔編號G01S5/00GK1301071SQ9912698
公開日2001年6月27日 申請日期1999年12月23日 優先權日1999年12月23日
發明者秦偉平 申請人:中國科學院長春光學精密機械研究所