日千的藍色及綠色發光二極管也於1995年麵市。在此之前,還沒有具有足夠的亮度以至於可用到戶外顯示屏上的綠色或藍色發光二極管,這時期可謂日千的“蜜月”階段。如今,包括美國在內的其它製造商,也開始生產含有氮化物器件的全色顯示。
短波發光二極管的另一重要應用是交通指示燈。大多數交通所用的白熾燈壽命不到一年,但發光二極管不僅壽命長而且效率較高,它們可以持續15年,能耗僅為相同亮度傳統燈泡的1/10。曰千公司用綠色發光二極管已開發出一套交通指示燈燈。
藍色激光器在商品化進程中落後於短波發光二極管。當它們到來時,大多數觀察家認為其最大的衝擊將是數據存儲,有助於推進存儲更多數據的更小磁盤機的發展。唐奈也希望能開拓藍色激光器和藍色發光二極管在各領域的應用。例如,氮化物紫外光源可與紫外光敏墨水配合,應用於安全檢查係統,或使用做牙填料的光敏物質硬化。但無論如何,藍色激光革命的到來無疑將為下世紀拉開帷幕。
(二)致冷的光
不管你往什麼地方看,到處都有激光的痕跡。激光束能準確地進行外科手術,或是像小小的粒子加速器一樣幹淨利落地工作。它們能在實驗室再生太陽表麵的白熱狀態。但是有一件你最沒有想到,它卻能作到的事一一它能把材料的熱量逐漸排去,直至這些材料像冰凍的冥王星一樣冷。
令人驚奇的是冷凍技術的最新成就就能作到這一點。美國的科學家已經研製出激光冷卻器的樣機;他們希望能把這些冷卻器放到衛星上使用。激光束最終將能使任何東西,從超導體一直到光學計兌機都變冷。
近幾十年來,在原子級一種叫作多普勒冷卻的技術一直在用激光冷動材料利用光子使原子減速,它和迎麵而來的許多乒乓球會逐漸使足球減速非常相像。能量從原子到光子的轉換能使原子冷卻到絕對溫度零上百萬分之一度弱。但是在極小的尺寸上才能作到這一點。
利用光使大的物體冷卻的想法是德國物理學家普林希姆1929年首先提出的。他的想法是當物質發射熒光時,它會變冷。當分子吸收光時,它的電子就受激。這個新的狀態是不穩定的,分子必須失去多餘的能量。要作到這點,可通過使分子發生永久性化學變化(如弄斷一個鍵\或者是將它變熱。使這個分子和它周圍環境變熱,如其不然,多餘的能量會以光的光子形式離開分子。這就是熒光。
通過切實作到使作為熒光離開的全部能量比吸收的能量更多,就可能實現淨冷卻。作到這點的方法可以是對激光束中光子的能量進行挑選,以使它隻被材料中那些已經具有某種振動能的分子所吸收一一這些分子已經是“熱的”了,利用統計方法可以看到,物質中有一小部分分子總是比其它分子熱。當它們吸收光子時,它們就受激進入更高一級的能態。
1.冷卻狀態
在某些材料中熒光會把分子帶到比它們原來的能級更低,即更冷的振動態。離開分子的光於是便比被吸收的光含有更多的能。這種情況被稱為反斯托克斯熒光。如果所有被吸收的能量都以熒光形式出現,就沒有能量會使材料變熱。這樣就有可能以光的形式排去熱能。
在理論上普林希姆的想法很好,但是實踐起來卻困難重重。主要的難點在於要找到一種合適的熒光材料並把它固定在一個能讓所有的入射光都被吸收和讓所有的熒光都被放出的清澈的固體上。但是現在在新墨西哥州洛斯“阿拉莫斯國家實驗室的一個研究小組首次設法作到了利用這種方法使一個固體冷卻。愛潑斯坦、戈斯內爾和他們的同事使高能紅外激光在一個用鐿離子“摻雜”的玻璃基質上聚焦。他們特地選擇鐿是因為它發熒光的效率高而且電子結構簡單,這樣被吸收的能量作為熱在材料裏喪失的機會就少些。
愛潑斯坦小組在1995年對塊火柴棍大小的玻璃作實驗時,作到了熱能的損失率是激光能量的,它是在氣體中用多普勒冷卻法所達到的效率的10000倍。按照戈斯內爾的說法,他們所以獲得成功是因為玻璃基質高度純淨,因而切實作到不會散射或吸收激光。他說:“值得慶幸的是我們現在製造純淨玻璃的溫度隻下降0.31:,但當他們用光纖代替玻璃塊,並且增加被吸收的激光位時,他們作到使試樣的溫度次序冷卻到161:的室溫下。
在那以後,愛潑斯坦和他的同煙用一對新型的鏡子形成一個空腔,用這方法將他們的技術進步改進和相應擴大。這對鏡子把一塊直徑約3厘米的摻鐿玻璃圍在裏麵。它們能讓鐿的熒光通過,所以能量很容易離開。然而它們會反射紅外線,所以熱不會從外麵進到裏麵。它們還反射激光束,所以激光束會在空腔中亂跳從而使冷卻的效率更高。在樣機的空腔中,摻鐿的玻璃以0.5瓦的速度失去熱量。科學家們計算,假如把空腔加以微調,它的溫度能冷卻到絕對溫度60度。愛潑斯坦十分樂硯,他說:“我們年內即將有一個真」「的冷卻器”。
至於它的最初的應用場合,愛潑斯坦是指望天空。他說:“我們的第一個合適的市場可能是空閭―供冷卻衛星上靈敏的探測器和電子設備用”。所有熱的東西都發出紅外輻射。臂如說,對於天文學用的紅外探測器這就是個問題,因為熱儀器所發出的“噪音”會淹沒來自天體的信號。所以使紅外探測器冷卻是極為重要的。迄今為止,使軌道上的探測器冷卻主要是依賴一罐罐的液化氣,它隻能使用幾年。承擔更長期使命的衛星可以用機械熱力泵,但是泵的發動機的振動和電幹擾會影響紅外傳感器,必須把這些紅外傳感器仔細地保護起來。激光冷卻器因為沒有運動的部件可能是最佳選擇。科羅拉多州博爾德的保爾航空航天工業技術公司的莫德預言:“這種冷卻器的冷卻能力很快就能和現在使用的深冷器不相上下。”他的公司正打算把愛潑斯坦的激光冷卻器放到空間。
雖然愛潑斯坦和莫德的預計十分樂觀,戈斯內爾卻更謹慎些。他預見到宇宙射線一一空間的高能粒子和輻射,它們總不斷地轟擊衛星一一會帶來的問題。他說,它們可能會弄壞鐿或者玻璃,擾亂精細的光化學平衡,使重新轉化成熱的那部分被吸收的光的比例增加。他警告說:“實際在空間的應用還遠得很,可能還得10年。”但他同時又說,可以進行許多物理學上有意義的研究。黃色的光輝
大約和愛潑斯坦最初實驗同時,倫敦帝國學院的一個研究小組也注意到激光冷卻,隻不過這是偶然的。化學家郎布斯和克拉克發現,通過把紅色激光照射到摻有若丹明染料的聚合物薄膜上可以生成黃色熒光。
郎布爾斯說:“當我們把聚合物薄膜的溫度降低幾度時,黃色熒光就消失了,這表明它是被‘熱’分子吸收了。使‘熱’分子冷卻意味著這些分子不再能吸收光,於是熒光便消失了。當科學家們用一個含有更多染料的液體試樣時,試樣冷卻了41攝氏度。
郎布爾斯和克拉克找到了一種利用這個效應的方式一一這一次的作法是倒過來。1995年他們設計並申請一個靈敏的溫度計的專利。它是用一根摻雜熒光染料的光纖、一個激光器和一個簡單的光探測器製成。通過檢測產生出多少熒光,它能測出溫度小到0.0210的纖維變化。由於它沒有金屬部件,極適合在金屬腐蝕的環境中使用。
郎布爾斯預見到激光冷卻還將有其它用途,例如,供光學運算的器件使用。有些材料在強光下會變熱和毀壞。但如果選對了材料,當向它照射激光時,它不會變熱,而是會變冷。隨著設備變冷,吸收激光能量的‘熱’分子會減少,這樣冷卻的速度就會減慢。換句話說,材料將具有一種固有的恒溫器。
郎布爾斯說:“我們最終將會有供光學運算用的穩定的、能自調節的材料。”這些設備或者是將用來冷卻超導體,由於具備這種“352‘能力,激光冷卻器的前景將是光明,甚至是光芒四射的。