一、激光制冷固體概述
激光制冷,是指用一束或多束特定的激光照射物質(zhì),在激光與物質(zhì)相互作用后,物體的溫度變低。然而，從日常生活經(jīng)驗(yàn)可知，物體可以吸收光的能量而發(fā)熱，比如大家都喜歡在沙灘上曬太陽(yáng)，在夏日太陽(yáng)炙烤的馬路上難于光腳著地等等。相比于太陽(yáng)光，激光的功率密度更高，大功率的激光甚至可以將物質(zhì)熔化，因而可以用激光進(jìn)行機(jī)械加工切割、制造激光武器等等。

如果有人說(shuō)激光可以用來(lái)制冷，也許大家會(huì)覺(jué)得有些違背常理。但事實(shí)上，科學(xué)家們不僅利用激光實(shí)現(xiàn)了稀薄原子氣體的制冷，近年來(lái)也已經(jīng)成功利用激光實(shí)現(xiàn)了固體材料的制冷。那么激光是怎樣冷卻物質(zhì)的呢？要解釋這個(gè)問(wèn)題需要首先理解什么是溫度。簡(jiǎn)單的來(lái)看，熱是物質(zhì)內(nèi)部原子運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)，而冷熱程度就表現(xiàn)為組成物質(zhì)的原子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。以水分子為例：溫度越高，水分子運(yùn)動(dòng)越快，自由運(yùn)動(dòng)的幅度越大。當(dāng)水溫高于沸點(diǎn)，水會(huì)沸騰，大量水分子離開(kāi)水面，成為氣體；而溫度越低，水分子運(yùn)動(dòng)得越慢，運(yùn)動(dòng)的幅度越小，當(dāng)水溫低于冰點(diǎn)的時(shí)，水凝結(jié)為冰，只能夠圍繞中心位置振動(dòng)。在量子力學(xué)概念下，這種熱振動(dòng)的能量量子化為聲子。

激光冷卻固體也被稱之為光學(xué)制冷（Optical Refrigeration），其概念早在1929年就由德國(guó)物理學(xué)家Peter Pringsheim提出。其基本原理是：當(dāng)用特定波長(zhǎng)的單色光去照射激光可制冷物質(zhì)時(shí)，該物質(zhì)可以吸收低能量的激光光子（長(zhǎng)波長(zhǎng)光子），然后同時(shí)通過(guò)自發(fā)輻射，發(fā)射出相同數(shù)量的高能量光子（短波長(zhǎng)光子）——這一過(guò)程被稱為上轉(zhuǎn)換熒光或者反斯托克斯熒光。由能量守恒定律可知發(fā)射的高能光子需要從物質(zhì)中帶走一部分能量，這一部分能量可以是物質(zhì)的熱振動(dòng)（聲子）。當(dāng)物質(zhì)中的聲子被吸收，聲子能量被發(fā)射光子帶走，而且沒(méi)有其他額外的加熱機(jī)制時(shí)，物質(zhì)的溫度就會(huì)下降。在這一理論提出之后，曾經(jīng)在歷史上引起了一些關(guān)于這一過(guò)程是否違反熱力學(xué)第二定律的爭(zhēng)論，最終Landau在1946年給出了光輻射熵的定義，從熱力學(xué)上解決了光制冷的物理機(jī)制。光輻射熵代表了輻射光子的有序度，輻射光子越單色，其頻率分布就越窄，因而其輻射熵越??；反之，輻射的光譜越寬，其輻射熵就越大。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，如果想使得一個(gè)物質(zhì)溫度下降，需要減少該物質(zhì)的熵，而在激光制冷的過(guò)程中，低熵的激光對(duì)材料做功而轉(zhuǎn)變?yōu)榱烁哽氐淖园l(fā)輻射光子，從而可以滿足總系統(tǒng)的熵增加這一基本定律。

這一原理最先被用于冷卻稀薄的原子氣體，當(dāng)用一束能量稍低于原子躍遷所需能量的激光照射原子氣（例如銣原子氣）的時(shí)候，運(yùn)動(dòng)速度與激光方向相反的原子比其他方向的原子感受到的激光的能量會(huì)更高，因此這些原子會(huì)吸收低能激光光子而散射出高能量的光子，這就是廣為所知的多普勒效應(yīng)。在這一過(guò)程中，散射光子帶走多余的能量使得這個(gè)方向的原子的速度降低，從而可以使原子氣的溫度降低到非常接近絕對(duì)零度的程度。運(yùn)用原子氣的激光冷卻，在納開(kāi)爾文（nK）的極低溫的狀態(tài)下。人們?cè)谂c之相關(guān)的精密光譜技術(shù)，玻色－愛(ài)因斯坦凝聚，量子力學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題及量子糾纏的研究中取得了眾多的突破，相關(guān)貢獻(xiàn)已被授予多次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（1989，1997，2001, 2005和2012年度）。

實(shí)際上，被冷卻的物質(zhì)可以是單個(gè)的原子、分子,也可以是由大量原子組成的固體,包括短程有序的玻璃(稀土離子摻雜),以及長(zhǎng)程有序的半導(dǎo)體（無(wú)故意摻雜）。激光制冷固體與激光制冷原子有很大的相似性，根本的不同在于固體里大量原子之間相互作用形成原子鏈，原子被固定在晶格中，光子吸收的不再是孤立原子的動(dòng)能，而是大量原子的集體振動(dòng)。以半導(dǎo)體為例，熱能以晶格振動(dòng)（聲子）的形式能提供了熒光上轉(zhuǎn)換所需的額外能量和動(dòng)量。相比于激光冷卻原子，激光冷卻固體的條件更為苛刻：要求上轉(zhuǎn)換的熒光發(fā)射外量子效率接近于100%。因此直到1995年，當(dāng)時(shí)來(lái)自美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 R.I. Epstein等人才首次在摻鐿（Yb）氟化物玻璃（ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF-PbF2 (ZBLANP)）中觀察到了激光治療的現(xiàn)象。之后新墨西哥大學(xué)的Mansoor Sheik-Bahae教授帶領(lǐng)的研究組在稀土摻雜的晶體材料中不斷研究和探索，目前可以將塊體摻Y(jié)b的氟化釔鋰（LiYF4）晶體從室溫光學(xué)冷卻到約90度開(kāi)爾文（對(duì)應(yīng)于-183℃）。

固體激光制冷最近的重大突破是2013年，當(dāng)時(shí)在新加坡南洋理工大學(xué)熊啟華教授研究組工作的張俊博士首次證明了利用激光可以使半導(dǎo)體的溫度從室溫冷卻到-20℃，該工作中運(yùn)用的激光制冷機(jī)制不同于之前的稀土金屬摻雜玻璃制冷機(jī)理，首次運(yùn)用能帶中的自由電子實(shí)現(xiàn)了激光制冷。此外，與稀土材料相比，半導(dǎo)體材料更容易與現(xiàn)有的工業(yè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兼容和集成，同時(shí)理論上可以實(shí)現(xiàn)更低的極限溫度。他們的文章發(fā)表在頂級(jí)科學(xué)期刊《自然》的2013年1月24日這一期上，并被選為當(dāng)期封面。這一突破性的科研成果使得人們有望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)能夠直接集成在電子和光電子器件上的全固態(tài)、緊湊、無(wú)振動(dòng)、無(wú)冷卻劑的光學(xué)制冷器，如用于航天器上高靈敏探測(cè)器、紅外夜視儀、電腦芯片等。

二、激光制冷固體材料的研究現(xiàn)狀
目前已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)凈激光制冷的固體材料分為2類：
1.稀土離子摻雜玻璃和晶體
早在激光制冷的概念提出20多年后，Kastler等人就提出稀土摻雜的固體材料可能具有實(shí)現(xiàn)固體激光制冷的潛力。沿著這一方向，后來(lái)的科學(xué)家們進(jìn)行了大量的嘗試，但是由于材料質(zhì)量的限制，直到1995年，固體材料的激光制冷才第一次被美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)上觀察到。他們用波長(zhǎng)為1 010nm的激光照射摻雜有Yb3+的氟化物玻璃ZBLANP，使得物體的溫度降低了0.3℃。這一溫差雖然很小，但是第一次成功在固體中實(shí)現(xiàn)了激光制冷，為人類制備可實(shí)用化的激光制冷設(shè)備邁出了第一步，具有非常重大的意義。經(jīng)過(guò)多年的努力，他們?cè)?011年用波長(zhǎng)為1 020nm的激光成功的將摻鐿LiYF4晶體的溫度從室溫降到-160℃，通過(guò)進(jìn)一步提高鐿離子的摻雜濃度，他們?cè)?015年實(shí)現(xiàn)了從室溫冷卻到-183℃的幾率。這一制冷記錄已經(jīng)超越基于半導(dǎo)體溫差電效應(yīng)的制冷器件，達(dá)到了可實(shí)用化的程度，但是同時(shí)，由于低溫下稀土金屬離子的聲子輔助上轉(zhuǎn)換熒光效率急劇下降，這一研究結(jié)果已經(jīng)達(dá)到了稀土摻雜材料的理論最低冷卻極限。如果想要使用激光制冷固體達(dá)到更低的溫度，人們需要尋找新的體系和機(jī)制。在這一背景下，激光制冷半導(dǎo)體材料以及其他新型固體制冷材料的研究成為新的熱點(diǎn)。

2. 六族半導(dǎo)體納米帶
由于半導(dǎo)體材料獨(dú)特的物理性質(zhì)，理論上它具有更大冷卻效率和低達(dá)液氦沸點(diǎn)（-269℃）的冷卻極限。這一制冷溫度可以替代幾乎所有的冷卻劑，包括超導(dǎo)體必須使用的冷卻劑：液氦，因而相比稀土摻雜玻璃制冷材料，半導(dǎo)體材料具有天然的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，半導(dǎo)體材料是現(xiàn)代電子和光電子器件的基石，運(yùn)用可以實(shí)現(xiàn)激光制冷的半導(dǎo)體材料，能夠很容易的將制冷材料與現(xiàn)有半導(dǎo)體器件集成在一起，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)激光制冷的半導(dǎo)體材料被認(rèn)為是下一代光學(xué)制冷器的優(yōu)秀材料。長(zhǎng)久以來(lái)，研究者對(duì)五族半導(dǎo)體材料如砷化鎵等進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)上地廣泛的研究，然而，盡管人們已經(jīng)得到了晶體質(zhì)量非常高的砷化鎵單晶，但是由于這種材料的聲子（聲子就是固體中晶格振動(dòng)的元激發(fā)）和電子的耦合強(qiáng)度很低，同時(shí)，砷化鎵具有很強(qiáng)的熒光光子再吸收效應(yīng)，結(jié)果導(dǎo)致聲子輔助上轉(zhuǎn)換效率較低，并且光子再吸收導(dǎo)致的寄生發(fā)熱效應(yīng)無(wú)法消除，人們一直沒(méi)有得到真正地在半導(dǎo)體材料中實(shí)現(xiàn)激光凈制冷。

張俊博士等人利用一種II-VI族半導(dǎo)體納米材料-硫化鎘（CdS）納米帶進(jìn)行拉曼光譜的研究中偶然發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用能量稍低于CdS帶隙的激光激發(fā)時(shí)，會(huì)觀察到非常強(qiáng)的反斯托克斯熒光，并且其熒光峰位會(huì)隨著激發(fā)光能量增加而向高能端藍(lán)移，這其實(shí)就是由于光制冷而導(dǎo)致的熒光藍(lán)移。隨后他與博士研究生李德慧一起合作進(jìn)行了更為細(xì)致的研究，最終使用波長(zhǎng)為514nm的綠色激光，成功地將CdS納米帶的溫度從20℃降低到-20℃；同時(shí)他們還證明，即使在低溫-173℃，仍然可以用532nm的激光將半導(dǎo)體硫化鎘納米帶的溫度降低約15℃。

有2點(diǎn)可以解釋為什么硫化鎘中最先實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光制冷這一突破：第一是得益于硫化鎘半導(dǎo)體具有很強(qiáng)的電子和聲子的耦合作用，在激光激發(fā)下每個(gè)光子可以共振地湮滅一個(gè)甚至多個(gè)聲子而更加有效地帶走硫化鎘納米帶的熱能；第二是實(shí)驗(yàn)中用到的納米帶的厚度小于帶內(nèi)傳播熒光光子的半個(gè)波長(zhǎng)，從而使得帶走多余熱能的高能熒光幾乎百分之百的逃離納米帶而不會(huì)發(fā)生再吸收，這一成果開(kāi)辟了一個(gè)探索激光制冷半導(dǎo)體的新方向，即尋找具有強(qiáng)電子聲子耦合的半導(dǎo)體材料。

三、激光制冷材料未來(lái)探索方向
1.半導(dǎo)體量子點(diǎn)參雜的玻璃或晶體
稀土摻雜玻璃激光制冷材料的重要限制主要有2點(diǎn)，一是激發(fā)態(tài)的壽命很長(zhǎng)，可以達(dá)到毫秒級(jí)別；二是長(zhǎng)波帶尾的吸收截面非常小，導(dǎo)致激光制冷效率不高。為了克服這一問(wèn)題，Galina Nemova等人提出了一類的激光制冷材料：硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）量子點(diǎn)摻雜玻璃。在體材料尺寸減小到可以玻爾半徑相比的數(shù)量級(jí)時(shí)，量子限制效應(yīng)變得非常顯著，價(jià)帶和導(dǎo)帶量子化，這就是量子點(diǎn)。由于在量子點(diǎn)中電子和空穴的波函數(shù)空間上重疊，與傳統(tǒng)稀土離子摻雜的玻璃相比較，聲子輔助上轉(zhuǎn)換熒光壽命大大下降，吸收截面增加，因而有望得到更高的制冷效率。但是由于量子表面缺陷態(tài)的增加，非輻射復(fù)合的壽命也會(huì)下降，熒光量子效率有待提升，這一類激光制冷材料仍有待進(jìn)一步研究。

2.稀土離子參雜的氟氧化物玻璃陶瓷
   在激光制冷中，聲子輔助上轉(zhuǎn)換熒光的效率是制冷效率的關(guān)鍵要素，而聲子能量越低，發(fā)生聲子輔助上轉(zhuǎn)換的幾率越高，也就意味著有更多的光子可以發(fā)生上轉(zhuǎn)換。最早被用來(lái)實(shí)現(xiàn)激光制冷的材料ZBLAN，以及后來(lái)的LiYF4， 都具有很低能量的聲子模式。但是，這一類材料最大的缺點(diǎn)是其化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性較差。為此，人們需要尋找更穩(wěn)定且具有低能聲子模式的材料作為稀土金屬離子的載體。研究表明，氟氧化物在化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械加工性能上要好很多，并且同時(shí)具有低能聲子模式，因而有望成為固體激光制冷的一類重要材料。目前，在這類材料中，人們已經(jīng)對(duì)銩離子（Tm3+）摻雜的氟氧化物玻璃開(kāi)展了系統(tǒng)的研究。

3.寬禁帶半導(dǎo)體材料
   　已經(jīng)實(shí)現(xiàn)激光制冷的半導(dǎo)體材料硫化鎘能帶帶隙為2.48eV，因而可以用綠光實(shí)現(xiàn)激光制冷（靠近并且略低于帶隙）。與CdS相比，更寬禁帶的材料輻射復(fù)合的壽命更短，俄歇復(fù)合等非輻射復(fù)合的幾率更小，因而具有更高的量子效率。同時(shí)，一些寬禁帶具有更強(qiáng)的電聲子耦合，這就意味著更大的聲子輔助上轉(zhuǎn)換吸收幾率。同時(shí)，從實(shí)用角度考慮，寬禁帶半導(dǎo)體對(duì)可見(jiàn)光透明，不會(huì)對(duì)其制冷的光學(xué)器件造成影響，另外寬禁帶半導(dǎo)體原子之間鍵能很高，所以也具有更強(qiáng)的化學(xué)，機(jī)械以及紫外輻射穩(wěn)定性。綜合考慮，寬禁帶半導(dǎo)體中的激光制冷研究，將會(huì)是未來(lái)研究的重要方向。

4.過(guò)渡金屬參雜介質(zhì)晶體
與稀土金屬的4f電子相似，過(guò)渡金屬的3d電子也具有豐富的局域能級(jí)和躍遷，兩者的不同之處在于，4f電子由于有最外層s電子和p電子的屏蔽，受晶體場(chǎng)影響較小，因而在一般情況下晶體場(chǎng)造成的非輻射復(fù)合較少，可以擁有較高的熒光量子效率，而過(guò)渡金屬的3d電子直接受到晶體場(chǎng)影響，電子與聲子耦合較強(qiáng)，一般情況下輻射復(fù)合效率較低。但是強(qiáng)的電聲子耦合對(duì)于激光制冷也是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，就是聲子輔助的上轉(zhuǎn)換吸收截面較大，因而與稀土摻雜的材料而言，理論上可以實(shí)現(xiàn)更低溫度的固體激光制冷，目前稀土摻雜的玻璃或晶體材料激光制冷溫度已經(jīng)到達(dá)極限，而過(guò)渡金屬摻雜材料的激光制冷尚未在實(shí)驗(yàn)上被證實(shí)，對(duì)這一類材料的研究有重要的意義。

5.稀土摻雜半導(dǎo)體材料
人們研究的固體激光制冷材料大部分是基于稀土參雜的絕緣體介質(zhì)材料，或者純凈的半導(dǎo)體材料，在絕緣體介質(zhì)中，只有稀土離子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)參與了聲子輔助上轉(zhuǎn)換熒光，在半導(dǎo)體中，只有導(dǎo)帶和價(jià)帶載流子參與激光制冷。稀土摻雜的半導(dǎo)體材料將這兩者結(jié)合在一起，在激光制冷過(guò)程中，稀土離子的局域電子和半導(dǎo)體的巡游電子均參與到聲子輔助上轉(zhuǎn)換這一制冷過(guò)程中，因而這一類材料的上轉(zhuǎn)換吸收截面大，同時(shí)，基于半導(dǎo)體材料可以構(gòu)建各種各樣的器件，與現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)相結(jié)合，因而引起了人們的關(guān)注。對(duì)于這類材料，人們要重點(diǎn)關(guān)注的部分在于能量在稀土離子與巡游電子之間的轉(zhuǎn)移。

四、結(jié)語(yǔ)
激光制冷固體具有很多誘人的應(yīng)用前景和優(yōu)勢(shì)，一個(gè)重要的應(yīng)用就是可以用來(lái)對(duì)空間振動(dòng)敏感的探測(cè)器和傳感器進(jìn)行制冷，因?yàn)榧す庵评淇梢詫?shí)現(xiàn)完全的無(wú)振動(dòng)，這一點(diǎn)優(yōu)勢(shì)是目前為止所有制冷方式無(wú)法比擬的。同時(shí)，激光制冷不需要封閉的環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)直接接觸的制冷，通過(guò)將激光發(fā)射系統(tǒng)和制冷材料空間上的分離，可以真正的實(shí)現(xiàn)制冷的小型化，輕型化，同時(shí)激光可以傳輸很長(zhǎng)的距離，因而超遠(yuǎn)距離的制冷成為可能。在尖端科技上，如航空航天上，笨重的液氮液氦制冷方式極大地制約了科技的進(jìn)步，如果激光制冷固體應(yīng)用在這一領(lǐng)域，將會(huì)對(duì)航空航天領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的推動(dòng)。激光制冷固體研究中另一個(gè)很吸引人的研究方向，是自冷卻激光器，一旦這種激光器成為現(xiàn)實(shí)，可以省去笨重的冷卻部分，從而實(shí)現(xiàn)激光器本身的小型化和輕型化，這對(duì)于大功率激光器，特別是激光武器中的應(yīng)用非常重要。

雖然激光制冷固體材料有著非常誘人的應(yīng)用前景，但是，這一領(lǐng)域仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)，那就是激光制冷固體技術(shù)尚未真正的走出實(shí)驗(yàn)室。不過(guò)，最近運(yùn)用稀土摻雜玻璃制作的原型器件已經(jīng)問(wèn)世，半導(dǎo)體激光制冷也已經(jīng)邁出了重要的第一步，未來(lái)還會(huì)有很多突破和進(jìn)展?；仡欉^(guò)去，激光制冷固體材料在過(guò)去20多年來(lái)已經(jīng)取得了巨大的成功；展望未來(lái)，固體激光制冷將會(huì)得到更多科學(xué)家的關(guān)注，下一個(gè)20年也許將是光制冷從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用的關(guān)鍵時(shí)期。我們相信，光制冷技術(shù)將會(huì)是低溫和制冷技術(shù)的革命，這一激光物理與凝聚態(tài)物理交叉形成的新領(lǐng)域必將取得更大的發(fā)展，最終走進(jìn)我們的生活。

作者：申超 張俊   半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所