掺Yb~(3+)氟化物晶体激光冷却理论与实验研究

【摘要】固体材料激光冷却有许多有趣的物理现象,同时在航空航天、遥感遥测、光电探测、高功率激光器等领域有着广泛而重要的应用。因此,固体材料激光冷却的研究不仅有着重要的科学意义,而且有着强烈的应用背景。本文以掺杂Yb3+的氟化物晶体作为激光冷却的研究对象展开深入系统的理论和实验研究。我们采用四能级模型描述掺杂稀土离子激光冷却的物理过程,得出固体材料激光冷却的制冷效率与外部量子效率、吸收效率、平均荧光波长和泵浦激光波长的关系。样品的热负载主要有三部分组成：黑体辐射热负载、空气对流热负载和支撑物传导热负载,我们详细分析了这三种不同热负载对固体材料激光制冷的影响,并给出减小这些热负载的解决方案。微纳探测器的全固态冷却对科研工作者提出了新的挑战。本文提出了两个微纳米尺度范围探测器的全固态冷却新设想。这两个新设想是采用表面等离子体共振增强激光冷却方案和相长干涉增强激光冷却方案来实现微纳米探测器的有效冷却。我们首先推导了增强因子在薄膜中的空间分布,得到平均增强因子表达式。然后,以10wt%Yb3+:YLiF4薄膜为例,计算了不同薄膜厚度时,泵浦激光增强因子在薄膜内的空间分布。最后,计算了10wt%Yb3+:YLiF4薄膜能被激光冷却的最终温度和泵浦功率的关系。在计算时我们考虑了样品对激光的饱和吸收效应。本文采用共振腔增强吸收激光技术实验研究掺杂2wt%Yb3+:YLiF4晶体的激光冷却。首先,我们测量该晶体的平均荧光波长和温度的变化关系；接着,用DLT测温法对该晶体进行温度定标。然后,我们利用电子伺服系统,把谐振腔锁定在半导体激光上。谐振腔与入射激光共振约一小时后,我们同样采用DLT测温法测量样品光谱信号,并与原先的温度定标曲线作比较得到样品的实际温度。接下来,利用四能级模型分析实验结果,得到样品的制冷功率、制冷效率和背景吸收系数。并根据理论分析得到的实验结果,我们做出了能全面而准确反映该2wt%Yb3+:YLiF4晶体的激光制冷属性的“窗口”。最后,把我们实验结果与阿拉莫斯实验室和新墨西哥大学的实验结果做简单直接的比较。本文采用共振腔增强吸收激光技术实验探索研究掺杂2wt%Yb3+:LuLiF4晶体的激光冷却。首先,我们在理论上分析了掺杂Yb3+氟化物材料能被激光冷却至低温学温度的要求,并得出能被激光冷却到低温学温度的几种可能氟化物晶体材料。然后,我们测量该晶体的平均荧光波长和温度的变化关系；接着,用DLT测温法对该晶体进行温度定标。然后,我们利用电子伺服系统,把谐振腔锁定在半导体激光上。谐振腔与入射激光共振约一小时后,我们采用DLT测温法测量样品光谱信号,并与原先的温度定标曲线作比较得到样品的实际温度。接下来,利用四能级模型分析实验结果,得到该晶体的制冷功率、制冷效率和背景吸收系数。根据理论分析并结合实验结果,我们做出了能全面而准确反映该2wt%Yb3+:LuLiF4晶体的激光制冷属性的“窗口”。最后,我们比较了Yb3+:LuLiF4晶体和Yb3+:YLiF4晶体两者之间的制冷潜力,以及在晶体生长和实际应用方面的优缺点,并发现Yb3+:LuLiF4晶体与Yb3+:YLiF4晶体有着同样迷人的制冷前景。
【作者】钟标；
【导师】印建平；
【作者基本信息】华东师范大学，光学，2014，博士
【关键词】激光冷却；光学冰箱；反斯托克斯荧光；YLiF4晶体；LuLiF4晶体；腔增强；表面等离子体增强；相长干涉增强；

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