基于稀土掺杂氟化物晶体的激光制冷新机制研究

摘要

固体激光制冷又被称为光学制冷，是一种利用激光诱导的反斯托克斯荧光对稀土离子掺杂固体或半导体材料进行制冷的技术。由于其具有紧凑、无振动、无电磁干扰和无污染等优点，可应用于航天器搭载的电子装置的局部制冷，因而受到研究者们的广泛关注。在过去的20年中，光学制冷研究已经取得了长足的发展。但是，为了实现其具体应用，当前光学制冷的性能仍有待于提高，工作波长范围仍有待于拓展。本文以稀土离子掺杂氟化物晶体为例，开展固体激光制冷新机制研究，在完善Ho3+光学制冷理论的基础上，给出若干种改进光学制冷性能的理论模型，包括双频泵浦加强的Ho3+光学制冷，能量传递加强的光学制冷，以及双脉冲泵浦增强的超辐射光学制冷。
　　首先，基于对Ho3+掺杂氟化物晶体发射光谱的分析，将现有的光学制冷模型进行推广，使其能更加精确地描述Ho3+光学制冷过程，并以此模型为基础，导出上转换辅助光学制冷的判据条件。结合Ho3+∶YLiF4晶体的光谱参数，数值模拟Ho3+光学制冷过程，给出不同背景吸收条件下，制冷功率密度和制冷效率随泵浦光强及掺杂浓度的变化关系;以及不同泵浦波长条件下的最大制冷功率密度和相应的最佳掺杂浓度。
　　接着，研究双频泵浦加强的Ho3+光学制冷。根据Ho3+离子的能级特点，分析各跃迁通道的产热情况，阐明双频泵浦对Ho3+光学制冷性能的改进作用。为双频泵浦的Ho3+光学制冷进行理论建模，导出制冷功率密度和制冷效率的表达式。并针对背景吸收，指出双频泵浦机制的适用范围。结合Ho3+∶YLiF4晶体的光谱参数，给出不同掺杂浓度样品中，制冷功率密度和制冷效率随两种频率的泵浦激光光强的变化关系;最大制冷功率密度，以及相应的制冷效率和最优泵浦光强。
　　然后，研究能量传递加强的光学制冷。通过分析比对Ho3+单掺和Ho3+，Tm3+双掺氟化物晶体在负调谐泵浦条件下的发射光谱，粗略推算Ho3+→Tm3+能量传递过程对系统制冷效率的提升幅度。根据能量传递的速率方程理论对Ho3+-Tm3+能量传递光学制冷进行理论建模，导出制冷功率密度和制冷效率的解析表达式。分析能量传递系数、掺杂浓度、泵浦光强和波长等对双掺光学制冷系统性能的影响。结合Ho3+，Tm3+∶YLiF4晶体的光谱参数，数值模拟Ho3+-Tm3+光学制冷系统的制冷功率密度和制冷效率随共振吸收功率密度的变化关系，并与传统Ho3+光学制冷的情况作对比。利用能量传递的平衡参数，给出能量传递制冷增强幅度随温度的变化规律。
　　最后，研究双脉冲泵浦增强的超辐射光学制冷。在阐明超辐射光学制冷基本原理的基础上，分析双脉冲泵浦机制较之连续-脉冲泵浦机制的优势所在。从闭合λ能级系统的动力学方程出发，导出密度矩阵元的解析解。结合Yb3+∶YLiF4，Tm3+∶YLiF4和Ho3+∶YLiF4晶体的光谱参数，数值模拟利用两种泵浦机制实现的超辐射光学制冷过程，给出超辐射光学制冷功率随温度的变化规律。根据面积定理推算适宜超辐射光学制冷的样品尺寸。讨论采用不同泵浦能级对系统制冷表现的影响，通过合理的近似和理论推导给出超辐射光学制冷泵浦能级的优化选择依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 激光制冷简介

1．2 固体激光制冷的研究进展

1．3 本论文的主要内容

第2章 固体激光制冷的理论基础

2．1 稀土掺杂固体的能级结构

2．2 量子跃迁

2．2．1 辐射跃迂

2．2．2 非辐射跃迁

2．2．3 原子-原子能量传递

2．3 二能级原子系统的动力学方程

2．4 固体激光制冷的理论模型

2．5 小结

第3章 基于钬掺杂氟化物晶体的光学制冷

3．1 推广的制冷模型

3．2 上转换辅助制冷的判据条件

3．3 数值模拟制冷结果及讨论

3．4 小结

第4章 双频连续激光泵浦加强的钬光学制冷

4．1 双频激光泵浦的制冷模型

4．2 加强制冷的判据条件

4．3 数值模拟制冷结果及讨论

4．4 小结

第5章 双掺氟化物晶体中能量传递加强的光学制冷

5．1 铥钬共掺氟化物晶体的能量传递光谱

5．2 能量传递加强的光学制冷模型

5．3 数值模拟制冷结果及讨论

5．4 小结

第6章 双脉冲泵浦增强的超辐射光学制冷

6．1 超辐射光学制冷的基本原理

6．2 动力学方程

6．3 密度矩阵的解析解

6．3．1 双脉冲泵浦

6．3．2 CW-脉冲泵浦

6．4 数值模拟制冷结果

6．5 脉冲传输效应的影响

6．6 激发能级的优化

6．7 小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢