掺杂稀土材料激光冷却的理论研究

论文摘要

近年来,基于反斯托克斯荧光制冷的固体材料激光冷却技术得到了快速发展。本文首先简单介绍了固体材料激光冷却的基本原理及其技术,随后综述了各种固体激光冷却的新材料、新方案和新结果及其最新实验进展,并介绍了各种荧光制冷的温度测量技术。最后,展望了反斯托克斯荧光制冷的应用前景和荧光制冷器的发展。本文采用简化的二能级系统分析了荧光制冷中的激光抽运-受激辐射过程。以Tm3+掺杂离子为例,从理论上分析了最小制冷能级间距与激光抽运速率的关系,研究了不同抽运速率下制冷功率与能级间距的关系以及热-光转换效率与能级间距的关系,获得了最佳热-光转换效率与抽运速率的关系,从而探讨了Tm3+掺杂材料用于激光冷却的可行性,并讨论了制冷基体材料的合理选择问题。本文采用一个二能级系统模型分析了Yb3+离子2F7/2→2F5/2能级之间的吸收与受激辐射过程,讨论了影响制冷功率的因素,找到了提高制冷功率的途径,详细分析了掺杂离子浓度、泵浦功率、有效吸收截面对冷却极限的影响。同时对冷却的物理过程进行了模拟,从而得到了冷却过程中温度随时间的变化曲线,该结果与实验曲线基本一致,从而验证了采用二能级模型分析反斯托克斯荧光制冷的合理性。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 第一章 固体材料激光冷却的实验研究及其最新进展
• 1.1 引言
• 1.2 固体材料激光冷却的基本原理
• 1.3 激光冷却的条件及典型的激光冷却材料
• 1.4 激光冷却材料的实验制备
• 1.5 激光冷却的实验结果及其进展
• 1.6 固体材料激光冷却实验装置
• 1.7 固体光学制冷器的设计以及激光制冷的应用
• 参考文献
• 第二章 固体材料激光冷却实验中的温度测量技术
• 2.1 引言
• 2.2 共线光热偏转光谱测量技术
• 2.3 荧光光谱测量技术
• 2.4 微热电偶测量技术
• 2.5 Mach-Zehnder干涉仪测量技术
• 2.6 热电偶测量技术
• 2.7 热照相机测量术
• 2.8 各种温度测量技术的比较
• 参考文献
• 3+激光冷却的研究'>第三章 发光过程的热力学及Tm³⁺激光冷却的研究
• 3.1 引言
• 3.2 光激发和退激发过程中的热力学
• 3.3 熵的循环
• 3.4 冷却物理模型的建立
• 3.5 制冷过程中能级间距的要求
• 3.6 制冷功率的计算
• 3.7 热-光转换效率的计算
• 3.8 本章小结
• 参考文献
• 第四章 激光冷却微观物理过程的分析和讨论
• 4.1 引言
• 4.2 基本理论模型
• 3+：ZBLANP光纤材料的分析和计算'>4.3 对Yb³⁺：ZBLANP光纤材料的分析和计算
• 4.4 稀土离子掺杂浓度对制冷效果的影响
• 4.5 有效的吸收截面对制冷效果的影响
• 4.6 泵浦光功率对制冷效果的影响
• 4.7 离子掺杂浓度的饱和效应
• 4.8 激光冷却实验结果的理论验证
• 4.9 本章小结
• 参考文献
• 第五章 总结和展望
• 5.1 工作总结与展望
• 5.2 本文的创新点
• 附录：硕士研究生阶段发表和待发表的论文目录
• 致谢