掺铥固体反斯托克斯辐射制冷的半经典模型与数值分析

摘要

固体介质的激光制冷是激光与固态物质相互作用，借助于光辐射的形式移除固态基质中的声子能，从而达到冷却固体材料温度的目的。固体激光制冷通常以激光诱导发光中心产生反斯托克斯荧光辐射为基本物理原理，是一种全光学制冷技术，具有无振动、无噪声、无电磁污染等独特优势，因此，在电子芯片制冷及航天航空探测器件的制冷技术领域具有非常广阔的应用背景。
　　本文主要在理论上研究稀土离子铥(Tm)掺杂固体介质的反斯托克斯辐射制冷，以半经典理论和辐射热平衡理论为基础，结合Tm离子发光中心的具体能级结构，发展非相干反斯托克斯荧光制冷的半经典模型，同时引入相干辐射机制，数值分析铥掺杂固体介质的超辐射制冷性能。
　　采用密度矩阵分析，建立用于描述Tm掺杂固体介质反斯托克斯荧光制冷的半经典理论模型。采用1.9?m激光诱导Tm离子产生1.8?m平均荧光波长辐射，Tm离子反斯托克斯激发辐射过程可采用典型的三能级原子体系进行处理，在电偶极相互作用近似下，给出三能级原子体系的反斯托克斯激发辐射的哈密顿量，利用量子力学微扰方法和旋转波近似，建立密度矩阵运动方程。结合荧光辐射制冷的热平衡分析，给出荧光辐射制冷功率和制冷效率的半经典理论描述，从统计平均量子力学角度展现了反斯托克斯荧光辐射的单原子制冷能力。
　　考虑Tm离子体系激发态原子间的自发集体相干作用，引入相干反斯托克斯超辐射机制，建立兼顾反斯托克斯和带内热激发过程的非平衡超辐射制冷模型，数值分析 Tm掺杂固体超辐射制冷性能。针对铥掺杂ZBLAN玻璃，采用1.9?m波长连续波激光和1.8?m波长脉冲激光联合激发方案，给出超辐射制冷的辐射热平衡参量方程，数值模拟超辐射制冷体系的布居数动力学响应，数值计算反斯托克斯超辐射机制作用下的激光制冷功率和制冷效率，理论上评估Tm掺杂固体的超辐射制冷性能，探讨超辐射制冷机制在提升铥掺杂固体材料激光制冷能力上的潜在优势。

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第1章 绪论

1.1 激光制冷的研究背景

1.2 固体激光制冷的基本原理

1.3 固体激光制冷的发展现状及应用前景

1.4 本文主要的研究内容

第2章 固体介质反斯托克斯辐射制冷的半经典模型

2.1 引言

2.2 三能级原子体系反斯托克斯辐射模型

2.3 三能级原子的哈密顿量

2.4 三能级原子系统的密度矩阵分析

2.5 三能级原子系统的反斯托克斯辐射制冷

2.6 本章小结

第3章 超辐射的狄克模型分析

3.1 引言

3.2 超辐射的狄克模型

3.3 超辐射脉冲的强度特征

3.4 超辐射脉冲的时间特征

3.5 本章小结

第4章 掺铥固体超辐射制冷性能的数值分析

4.1 引言

4.2 掺铥固体超辐射制冷模型的理论分析

4.3 掺铥固体超辐射制冷的数值计算与讨论

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢