固体材料反斯托克斯荧光制冷的理论研究及其最新进展

本文首先回顾了反斯托克斯荧光制冷的历史发展,简单讨论了激光制冷的循环过程及其制冷条件;其次,概述了反斯托克斯Raman散射、反斯托克斯荧光制冷的热力学理论和热力学限制,重点介绍了适用于各种制冷材料(如稀土离子掺杂玻璃、半导体和晶体等)反斯托克斯荧光制冷研究的理论模型,并简单讨论了激光制冷实验中各种测量温度变化的实验方法及其基本原理。最后,就反斯托克斯荧光制冷的一种最新应用及其前景进行了简单介绍与展望。     

反斯托克斯荧光制冷的发展回顾和研究现状

从 1 995年 Epstein实现了光与热制冷效应的历史性突破以来 ,由于该制冷方法具有全光性的独特优点 ,同时制备的制冷器具有无振动和噪声、无电磁辐射、体积小、重量轻、可靠性高等特点 ,因此反斯托克斯荧光制冷器在军事、航天卫星、微电子、低温物理与工程等领域具有非常诱人的应用前景。文中首先介绍了反斯托克斯荧光制冷的物理原理 ,其次着重介绍了该制冷方式的发展历史和研究现状 ,最后对这一研究作了展望。     

反斯托克斯荧光制冷的研究进展与综述

反斯托克斯荧光制冷（Ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｃｏｏｌｉｎｇ）也被称为激光制冷（Ｌａｓｅｒ Ｃｏｏｌｉｎｇ）。自１９９５年以来,该项研究取得了飞速的发展。上前人们利用激光制冷的方法已经得到了比家用冰箱冷冻室还低的温度,并能够利用半导体量子阱材料得到低于液氮温区的降温。由于这项技术具有全光性,它的制冷器具有体积小、重量轻、无电磁辐射、无振动、无噪声等特点,因此也就具有非常诱人的     

激光诱导的反斯托克斯荧光制冷—— 一个全新的制冷概念

激光诱导的反斯托克斯荧光制冷，是近年来刚刚起步的新的制冷技术．光致反斯托克斯荧光的发射为凝聚态物质激光制冷提供了物理学基础．激光制冷具有体积小、重量轻、无噪声、无振动、无污染、无电磁辐射等优点，可望在不久的将来成为一项实用的制冷技术．该技术在光计算、光存储、超导、空间技术、集成光学、光通信和电子工业等领域具有广泛的应用前景．     

荧光制冷器的未来发展

反期托克斯荧光制冷的研究虽然在近几年发展得很快,但是还有许多基础问题和应用问题没有解决,因此,把荧光制冷技术推向实用还需要一定的时间,然而,几乎所有的研究者都认为在不久的将来荧光制冷技术将会在某些领域发挥重要的作用。因为基于荧光制冷技术的制冷器将具有体积小,重量轻,无振动,无电磁辐射,无污染,制冷效率可以长期保持不变等独特的优点。另外,它的制冷效率也可与现有的商业成品相比拟。现就荧光制冷器发展和应用的前景进行讨论。根据反期托克斯荧光制冷的特点,研究荧光制冷器的不同构造和预期性能指标,探讨影响制冷器发展的关键因素,介绍Los Alamos第一代荧光制冷器的设计方案,给出基于光纤的线圈型制冷器件设计方案,研究用于大规模集成电路制冷的荧光制冷器件;最后,对单分子一光子制冷泵在单分子物理学及介观物理学中的应用加以探讨。     

激光染料的反斯托克斯荧光制冷计算

从理论上研究了具有分子振动能级结构的激光染料分子的反斯托克斯荧光制冷总是根据吸收光谱和荧光发射谱,对Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ１０１溶液的反斯托克斯我制冷有力进行了数值计算,得到了用该种材料实现激光制冷的条件与制冷效率相关的曲线。     

激光导的反斯托克斯荧光制冷

激光诱导的反斯托克斯荧光制冷，是近年来刚刚起步的新的制制冷技术，光致反射托凶斯荧光的发射为凝聚态物质锦蛉提供了物理学基础，激光制冷具人体积小、重量轻、无噪声、无振动、无污染、无电磁辐射优点，可望在不义的将来成为一项实用的制冷技术，该技术在光计算、光存储、超导、空间技术、集成光学、光通信和电子工业等领域具有广泛的应用前景。     

固体材料激光冷却的实验研究及其最新进展

近年来,基于反斯托克斯荧光制冷(Anti-StokesFluorescentCooling)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;其次,详细介绍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;最后,就固体激光冷却技术的应用前景及其未来发展方向等问题进行了简单讨论与展望。     

固体材料激光冷却的实验研究及其最新进展

近年来，基于反斯托克斯荧光制冷(Anti—Stokes Fluorescent Cooling)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；其次，详细介绍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；最后，就固体激光冷却技术的应用前景及其未来发展方向等问题进行了简单讨论与展望。     

影响固体材料激光冷却若干因素的研究

采用一个简单的二能级系统来分析激光冷却的微观物理过程，从微观的离子数等方面讨论制冷功率，从而计算出温度的变化，同时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、抽运功率、有效吸收截面对冷却极限的影响.最后比较了计算结果与实验数据，二者基本一致，从而验证了采用该二能级系统理论分析反斯托克斯荧光制冷的合理性.     

燃烧场参数的激光诊断技术研究

 介绍了燃烧场参数的激光诊断技术的研究进展，给出了用自发拉曼散射、激光诱导荧光、相干反斯托克斯拉曼散射法诊断燃烧场温度和组分的实验系统和部分实验结果，单次测量火焰的温度和组分浓度相对误差小于10%；利用平面激光诱导荧光技术获得了稳定燃烧场二维OH荧光图像，并分析了激光作用区域火焰二维温度场的分布。     

单分子-光子制冷泵的热力学行为(Ⅰ)

建立了一般意义上的单分子－光子泵模型,并用计算机模拟了在不同能量的光子激发下单个分子作为制冷泵时的量子跃迁过程,研究了单分子－光子泵处于基态和激发态时的热激发过程以及在发生荧光辐射时的声子参与情况,得出了基态具有较强的制冷能力的结论。基态和激发态在光吸收和发射过程中热力学效应是不同的,因此在选择反斯托克斯芝光制冷材料时,发光中心的基态能级劈裂更具重要性。     

Tm3+掺杂光纤激光制冷的理论分析

近年来，掺Tm³⁺：ZBLANP玻璃已成为固体材料激光冷却领域中最有希望的新材料之一，但有关掺Tm³⁺：ZBLANP光纤的激光冷却尚未见到理论研究与实验报道.本文采用一个简单的理论模型，就Tm³⁺：ZBLANP光纤的激光冷却进行了理论研究与分析，讨论了量子效率、抽运功率、背景吸收、出射荧光波长变化和环境黑体辐射等对激光制冷效果的影响，得到了一些有趣的重要结果，可为掺Tm³⁺：ZBLANP光纤的激光冷却实验提供可靠的理论 关键词： 固体激光冷却 反斯托克斯荧光 3+：ZBLANP光纤')" href="#">掺Tm³⁺：ZBLANP光纤     

光纤背向激光自发喇曼散射的温度效应研究

从理论和实验上研究了光纤背向激光自发喇曼散射的温度效应.光纤背向激光自发反斯托克斯喇曼散射、斯托克斯喇曼散射光的相对强度正比于光纤分子上、下能级粒子数的布居,依赖于温度.由于实际系统中,作为分光用的干涉滤光片不可能完全隔离背向瑞利散射光,因此,实际系统温度曲线比理论曲线低,本文给出了理论修正公式,提出了附加修正项,它与隔离度和波长有关.     

双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术的实验研究

双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射同属于三阶非线性效应,二者之间的差异与联系是一个值得研究的问题.本文基于自行搭建的超连续谱近红外宽带相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统进行光谱成像,同时通过理论与实验对比分析了双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射图像存在差异的原因.结果表明,具有亚微米以上横向分辨率的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统,可以使用较大尺寸的荧光珠进行双光子荧光成像,通过解卷积得到双光子荧光成像的系统分辨率,并将它近似等效于相干反斯托克斯拉曼散射成像系统的当下分辨率.如果需要得到相干反斯托克斯拉曼散射成像系准确的分辨率结果,就必须使用尺寸比相干反斯托克斯拉曼散射成像系统实际分辨率小的球形样品进行实验测量.     

Tm3+掺杂材料激光冷却的研究

固体材料的激光制冷又称反斯托克斯荧光制冷,是近年来刚兴起的全光学制冷技术。该技术的核心问题是制冷材料的选择。以Tm^3＋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。结果表明,最小的制冷能级间距约为4500cm^-1,能级间距在5000～6000cm^-1的宽度是比较合适的。最后探讨了Tm^3＋掺杂材料用于激光冷却的可行性,许讨论了制冷基体材料的合理选择问题。     

飞秒相干反斯托克斯拉曼散射光谱测温研究进展

当今世界大约90%的能量供应都是由燃烧生成的。在燃烧场中,火焰的温度影响着场中各种组分链式反应的途径和浓度,获取燃烧场温度信息可以为提高燃料燃烧效率,改进燃烧装置的设计提供重要的支撑依据。随着我国在航空、航天和航海这类高端制造业领域的不断发展,各种大型燃气轮机和超声速发动机的研发进入加速期,此类燃烧装置产生的火焰具有高温、高压、湍流超声速和持续时间短等特点。传统的接触式测温法难以对这类湍流燃烧场进行温度测量,近年以激光光谱法为代表的非接触式测温技术逐渐走向成熟,并获得了广泛地应用。与超短脉冲相结合的飞秒相干反斯托克斯拉曼散射光谱测温技术凭借可提供高时间分辨率(每秒可提供上千个测温数据)、高测温精度和高测温灵敏度等优势而被应用到各种高温、湍流等复杂燃烧场景温度诊断中。文章概述了飞秒相干反斯托克斯拉曼散射测温技术的基本原理,综述了该技术在稳态火焰、加热气体、模拟燃气轮机等燃烧环境中测温工作的研究进展,简要介绍了飞秒时间分辨相干反斯托克斯拉曼光谱的研究和应用,着重介绍了可以实现毫秒量级时间分辨率的飞秒啁啾探测脉冲相干反斯托克斯拉曼散射测温技术和混合飞秒/皮秒相干反斯托克斯拉曼散射测温技术的基...     

在单模光纤中放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射的温度效应

在单模光纤中,输入的激光功率大于阈值时．出现放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射现象。实验发现：放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射具有温度效应．与反斯托克斯拉曼背向自发散射一样,放大的拉曼散射光的光子通量受到光纤温度的调制。反斯托克斯拉曼背向白发散射的放大效应抑制了单模光纤中的相干噪声,改善了系统的信噪比。实验还发现．放大的反斯托克斯扎曼背向自发散射空域曲线上放大的端点位置随激发功率的增高前移并具有一定的规律性。放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射的温度效应作为一种新的测温原理,已应用于远程30km分布光纤温度传感器系统。     

荧光物质光学性质对受激拉曼散射的影响

荧光在受激拉曼散射中能发挥良好的外部种子作用,可以极大幅度降低受激拉曼阈值、增加散射模式的强度。将溶解了荧光物质的CS2溶液作为液芯光纤的芯液体进行荧光增强受激拉曼散射研究。结果表明,很小能量(1.86 mJ)的激光激发就能获得较强的斯托克斯和反斯托克斯拉曼光。以荧光光谱范围较小的罗丹明B(rhodamine B)作为荧光种子,只获得了强度较高的一阶反斯托克斯谱线和强度较低的一阶斯托克斯谱线;以荧光光谱范围很大的β-胡萝卜素(β-carotene)作为荧光种子,很小的抽运能量就获得了7阶斯托克斯光谱。因此可以选用不同光学性质的荧光种子来选择性增强受激拉曼散射的某一散射模式。     

单分子-光子制冷泵的热力学行为

通过对发生光跃迁时的声子参与频度、热光转换效率以及制冷效率的研究,从理论上描述了单分子-光子泵的热力学行为.利用热分布次数作为热分布时间的衡量尺度,研究了单分子光子泵的制冷效率,得出了与其他研究者的实验曲线相符合的理论计算结果.解释了制冷功率随波长变化曲线在制冷区发生弯曲的原因.研究了单分子-光子泵的最大制冷效率,从理论上确定了引起制冷效率最大的激发波长位于单分子-光子泵吸收带红边的四分之一处.得出只有晶体材料才可能获得最大制冷效率的结论 关键词： 单分子 制冷泵 激光制冷 反Stokes荧光制冷