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TN2492006010252Tm3 掺杂材料激光冷却的研究=Research on laser cool-ing in thulium-doped materials[刊,中]/贾佑华(华东师范大学物理系,光谱学与波谱学教育部重点实验室.上海(200062)),印建平∥光学学报.—2005,25(10).—1375-1379以Tm3 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…     

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。     

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     

激光二极管纵向抽运（Tm，Ho）：YLF激光器的研究

对激光二极管端面抽运(Tm，Ho)：YLF固体激光器的激光特性进行了研究。根据激光二极管抽运准三能级系统的特性，详尽地分析了能量在Tm^3 离子和Ho^3 离子之间的传递过程，给出了(Tm，Ho)：YLF激光器准三能级的速率方程，对上转换及激光下能级粒子再吸收对激光二极管抽运(Tm，Ho)：YLF激光器运转的影响进行了理论分析，得出了(Tm，Ho)：YLF激光器的阈值抽运功率和斜率效率的解析表达式。同时对(Tm，Ho)：YLF微片激光器的激光特性进行了实验研究，当保持晶体温度为19℃时，阈值抽运功率为425mW，斜率效率为22．5％，最大光—光转换效率为17．4％，并且在将晶体保持在四个不同的温度下，给出了激光输出功率随抽运功率变化的实验结果。将理论与实验结果进行比较，发现吻合得比较好。     

二极管抽运铷蒸气激光的物理特性

结合激光微观动力学和热传学,充分考虑到发射激光时的各能级粒子数和热力学分布特性,建立了用于分析二极管抽运铷金属蒸气激光物理特性和增益腔内的温度分布模型,得到了抽运功率和激光输出、光-光转换效率及各物理参数之间的关系,分析了有效提高抽运能量吸收的具体措施,揭示了2P3/2和2P1/2两个精细能级之间的集居数弛豫对半导体抽运碱金属蒸气激光器(DPAL)物理特性的影响。结果表明:在设计不同用途DPAL时,必须要综合考虑各种因素,以确定相应的最佳结构参数。     

高能量脉冲光纤激光器荧光特性

高能量脉冲激光器中,高强度的抽运光注入掺杂光纤后会部分转化为荧光,导致抽运效率的降低。基于铒掺杂光纤中铒离子的能级结构,分析了高能量脉冲光纤激光器中荧光的产生机理,采用非线性薛定谔(Nonlinear Schrdinger)方程和能级跃迁模型的速率方程,建立了高能量脉冲光纤激光器中荧光和抽运光的传输模型。通过此模型进行了数值仿真研究,首次深入分析了抽运光和荧光功率沿光纤轴向分布的变化规律,研究了荧光功率、抽运效率与光纤掺杂浓度的关系,并得出了抑制荧光产生、提高抽运效率的方法。数值结果表明:在铒掺杂光纤中,荧光和抽运光分别沿光纤的轴向近似呈指数规律衰减,且荧光的衰减速度比抽运光快;当抽运光功率一定时,铒掺杂光纤在980nm激光抽运下产生的荧光功率比1480nm激光抽运下的低,且980nm激光抽运下产生荧光的阈值比1480nm的高;抽运光功率一定时,铒掺杂光纤中产生的荧光功率随其掺杂浓度的增加而增加,而抽运效率随着掺杂浓度的增加而降低;衰减系数一定时,荧光沿掺铒光纤轴向的衰减速度随增益系数的增加而增加。理论分析的结论与参考文献中的实验结果吻合得很好。因此,为有效抑制荧光产生、提高抽运效率,应选择980nm的激光作为抽运光源,并在激光器的增益一定时尽量降低光纤的掺杂浓度,或者在一定的掺杂浓度下尽量提高增益系数。     

室温下零声子线抽运Yb…YAG板条放大器的理论研究

对室温下零声子线(抽运波长为969 nm)抽运Yb…YAG激光器进行了理论研究,建立了969 nm抽运Yb…YAG的速率方程。在相同热负载状态下,通过数值模拟分别得到969 nm和941 nm抽运时Yb…YAG板条放大器的光-光转换效率和输出激光强度。模拟结果表明:941 nm和969 nm抽运的光-光转换效率基本相同;抽运波长为969 nm的抽运强度比941 nm提高了20%以上。     

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。     

光谱学方法研究Tm3+离子的上转换发光影响因素

应用激光光谱学的研究手段和方法,探讨了红色激光抽运Tm3+离子掺杂纳米体系中上转换荧光辐射性质的影响因素.通过变化基质和改变样品的环境温度,研究了声子能量大小对Tm3+离子掺杂纳米体系中上转换效率的影响.结果显示:合适声子能量可以有效提高Tm3+离子蓝色上转换效率.此外,依据声子能量与温度之间的联系,改变样品环境温度可调节低声子基质材料中Tm3+离子激发态能级的布居速率,改变上转换效率.     

光谱学方法研究Tm~(3+)离子的上转换发光影响因素

应用激光光谱学的研究手段和方法,探讨了红色激光抽运Tm3+离子掺杂纳米体系中上转换荧光辐射性质的影响因素.通过变化基质和改变样品的环境温度,研究了声子能量大小对Tm3+离子掺杂纳米体系中上转换效率的影响.结果显示:合适声子能量可以有效提高Tm3+离子蓝色上转换效率.此外,依据声子能量与温度之间的联系,改变样品环境温度可调节低声子基质材料中Tm3+离子激发态能级的布居速率,改变上转换效率.     

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。     

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。     

Tm3+掺杂玻璃激光致冷新方案的理论分析

提出了一种用于块状Tm3 掺杂玻璃ZBLANP(ZrF4-BaF2-LaF3-NaF-PbF2)激光致冷的新方案,即通过两组相互垂直的高反射率平面镜的多次反射,增加对抽运光的吸收,为了减少抽运光在样品表面入射时的反射损失,抽运光以布儒斯特角入射。重点就该方案的样品致冷温度和时间常量进行了详细的理论计算与分析,从理论上分析了入射激光功率为1 W时致冷功率和反射次数的关系,研究了不同入射激光功率下致冷温度和反射次数的关系。结果表明,入射激光功率分别为3 W、4 W5、W时,样品可以分别从室温(300 K)被冷却到275.7 K、267.4 K、259.1 K。特别是在入射激光功率为4.5 W时,样品从室温开始被冷却到263.2 K,即致冷后样品的温度下降了36.8K,比传统致冷方法提高了约53.3%,相应的致冷时间常量为22.7 min。     

Anti-Stokes luminescence in heavily doped semiconductors as a mechanism of laser cooling

The anti-Stokes luminescence is a mechanism of the optical refrigeration in semiconductor light sources. The heavily doped semiconductors are considered as a material for the laser cooling. The limitation of this mechanism appears to be connected with a transition from the non-degenerate to degenerate occupation. This transition occurs at higher pumping rate (along with the transition to the optical gain and lasing) and at lower temperature. Thus, the limit for the laser cooling can be indicated. The minimal obtainable temperature is about 60–120 K depending on the doping level. The laser cooling of a semiconductor is impeded by the difficulty of extracting the spontaneous emission from a radiating body that is characterized by large angle of the total internal reflection.     

胶束中的若丹明6G荧光增强和激光行为

使用阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠 (SDS)有效的增强了若丹明 6G染料水溶液的荧光 ,在若丹明 6G浓度分别为 5 47× 10 -7和 5 47× 10 -4 mol·L-1时 ,最大增强比率分别为 1 95和 9 7。在后一浓度下SDS的加入使若丹明 6G染料激光阈值降低 ,能量转化效率提高。不加SDS时的激光阈值功率密度约为 6 5MW·cm-2 ,加入 4 1× 10 -2 mol·L-1的SDS后 ,激光阈值功率密度降为 0 8MW·cm-2 。泵浦光功率密度为 6 5MW·cm-2 时 ,能量转化效率达到 2 5 %。同时还观察到SDS的加入使溶液吸收谱、荧光谱和染料激光发生了红移。对以上现象的物理机制进行了讨论。     

用于XeF蓝绿激光器的表面放电光泵浦源

基于Al2O3陶瓷、BN陶瓷和聚四氟乙烯三种基底建立了分段表面放电光泵浦源,对比研究了这三种表面放电光泵浦源的电学特性、辐射特性和烧蚀特性。利用放电波形计算了表面放电光泵浦源的等效电感、等效电阻和沉积效率,应用光谱法比较了它们的紫外辐射强度,并采用平均线烧蚀率评估了三种泵浦源的耐烧蚀性能。通过比较研究发现,在充电电压为13.5~26.8kV、间隙长度为8cm、放电室内混合气体气压为100kPa条件下,三种泵浦源中Al2O3陶瓷表面放电光泵浦源的沉积效率最高,大于82%;辐射光谱具有紫外增强效应,紫外辐射最强;平均线烧蚀率最小(小于0.15μm/shot),耐烧蚀性能最好。研究结果表明采用Al2O3陶瓷表面放电光泵浦源作为大功率重频XeF蓝绿激光器的泵浦源,可提高XeF蓝绿激光器的寿命。     

Heat transfer for diode side-pumped YAG slabs

Thermal heating is a major limiting factor in scaling the average power of a solid-state laser. The heat transfer coefficient is affected by the coolant flow rate, the physical properties of the laser slab and the coolant, and the pumping cavity geometry. The relationship between the heating effects and the heat transfer coefficient has been studied by considering the variations of thermal conductivity and expansion coefficient of the laser slab with temperature. It is concluded that different heat transfer coefficients should be adopted according to different heat intensities inside the laser slabs in order to obtain better pumping input as well as to optimize the cooling effects.