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．     

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。     

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 StokesFluorescentCooling)也被称为激光制冷 (LaserCooling)。自 1 995年以来 ,该项研究取得了飞速的发展。目前 ,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 ,因此也就具有了非常诱人的应用前景和符合军事、空间、集成光学、微电子、医学等领域的特殊要求 ,而被国外研究者所重视。做为一项基本技术 ,激光制冷研究的突破必然会导致许多对温度有特殊要求的高技术实用化 ,推动那些领域向前发展。本文详细地介绍了反斯托克斯荧光制冷研究的历史和最新进展 ,详细地介绍了该项研究中的方法和理论。着重介绍了激光制冷的热力学限制、发光过程的热力学理论 ,探讨激光制冷产生的机制和制冷理论。最后 ,对激光制冷器的发展前景和设计依据进行了讨论 ,尝试性地探讨了线圈型制冷器、用于芯片的制冷器和单分子 光子泵型制冷器的应用考虑。     

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     

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。     

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。     

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。     

激光制冷中能级间距的选择

激光制冷问题的核心是材料的选择。荧光中心能级的间距是其中的一个关键指标。确定合理的能级间距有助于选择合适的激光制冷材料。能级间距决定了对激光制冷至关重要的两个因素:量子效率和无辐射跃迁速率。如果单纯地从制冷功率的角度来看,能级间距越大量子效率越高,也越有利于荧光制冷。但当能级间距宽到某一值后,制冷功率基本上保持不变。如果从热一光转换效率的观点来考察激光制冷的效率问题,能级间距宽度的合理取值就应该小得多。如果在选择激光制冷材料时,确定制冷功率具有第一位的重要性,那么,能级间距选择在5000cm^-1左右的宽度是比较合适的、这不仅可以确定较大的热－光转换效率,同时也基本上保证了很高的制冷功率。     

Tm3+ 掺杂ZrF4 -BaF2 -LaF3 -AlF3 -NaF-PbF2玻璃激光制冷中荧光再吸收效应的理论分析

固体材料的激光制冷是近年来发展起来的一个新的研究领域. 掺Tm³⁺的ZrF₄-BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF-PbF₂(ZBLANP)玻璃材料是激光冷却的典型材料之一. 与另一种制冷掺杂离子Yb³⁺相比,Tm³⁺具有更好的制冷潜力. 目前制约材料制冷的一个主要机理就是荧光再吸收. 首先根据Tm³⁺:ZBLANP的光谱参数,利用半经典的随机行走模型得到了不同情况下的平均荧光再吸收次数,随后分析了荧光光子界面出射的全反射效应,并对所得结果进行了修正. 计算结果表明,荧光再吸收会导致量子效率降低0.5%-1%,出射荧光波长红移达到2-10 nm,激光制冷的效率和功率降低. 为了有利于荧光出射和净制冷的实现, 宜采用小体积细长棒的制冷元. 关键词： 激光制冷 稀土离子 荧光再吸收     

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。     

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.     

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。     

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。     

荧光再吸收对固体荧光制冷的影响

 建立了荧光再吸收的蒙特卡罗计算模型，对不同尺寸的Yb³⁺:ZBLANP玻璃材料的荧光再吸收作用进行了数值计算，给出了由于再吸收作用引起的荧光平均波长红移与界面反射和材料尺寸的关系。对于立方体形状，当材料尺寸较小时由界面全反射引起的荧光平均波长红移量占主要部分；随着尺寸的变大，界面全反射的影响相对变小；材料尺寸在0.1~1.0 cm时，由于荧光再吸收作用导致的荧光平均波长红移量在2.6~5.0 nm范围内。随激发光波长的变化绝对制冷效率和单位长度的制冷功率均存在极大值,荧光平均波长红移使制冷效率明显下降，通过减小材料尺寸、改变材料形状等措施可减小荧光再吸收作用对激光冷却固体的不利的影响。     

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     

固体中非均匀线形内能量传递引起的荧光制冷效应

提出了荧光光谱的非均匀线形内不同发光中心间的能量传递产生荧光制冷效应的理论，并讨论了理想情况下相对制冷效率与光子能量和温度的依赖关系. 关键词：     

激光制冷

介绍了激光制冷的特点、原理以及发展历史 ,描述了典型的激光制冷装置及其工作过程 ,指出了目前激光制冷存在的问题和今后的研究方向。     

固体中反斯托克斯荧光制冷的两种基本机制

研究和论术字激光制冷的两种机制－ＡＳＦＣＳＣ和ＡＳＦＣＥＴ,以及它们的相互关系和应用条件,提出了双机制并行制冷的概念,探讨了双机制并行制冷的可能性。     

能量传递制冷机制中激光制冷的最佳泵浦频率和最大制冷效率

在能量传递型激光制冷中,对于非均匀线宽比较窄的情况,引起最大制冷效率的激发光频率不随温度的变化而变化最大制冷效率与温度呈三次暴的关系。对于非均匀线宽比较宽的情况。随着温度的降低,最佳激发光频率与非均匀线形的中心频率差越来越大,并在较低的温度下迅速拉大它们间的距离。由能量传递机制所引起的荧光制冷最大效率也随着温度的降低而越来越低,并在最后趋于零。它们随温度的降低而降低的规律与实验中得到的结论相符合。     

固相物质的激光冷却

人类的祖先早在数十万年前就学会了使用火 .先是用火照明、取暖、烧饭 ,后来又掌握了用火烧制陶瓷 ,冶炼金属和制造工具 .进入 18世纪 ,人类开始大规模地开采化石燃料 ,用于生火、作功、发电 .与上述热能利用的悠久历史相对照 ,人工制冷技术的发明至今才有 16 0多年的历史 .这一反差部分地可以归因于自然界普适的热力学第二定律 .制冷过程需要通过对制冷剂作功 ,达到从低温端吸热并向高温端放热的目的 .而这样一个过程在自然界中不会自发产生 .制冷技术的发展在 2 0世纪曾使全世界受益 .今天 ,当人类步入信息化时代 ,各行各业对制冷技术提出…