反Stokes荧光制冷实验中的温度测量技术

反Stokes荧光制冷(anti-Stokes fluorescent cooling)是近年来快速发展起来的一种新颖的固体材料激光冷却技术。文中首先简单介绍了反Stokes荧光制冷的基本原理;其次,详细介绍了固体材料激光制冷实验中温度测量的各种新方法、新原理和新结果及其最新进展,最后简单比较了各种温度测量技术的分辨率及其优缺点。

固体中反斯托克斯荧光制冷的两种基本机制

研究和论述了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．

反斯托克斯荧光制冷技术综述

分析了反斯托克斯荧光制冷的原理,回顾了其发展历史。分析了常用的基于Yb3+、Tm3+和Er3+等激光制冷材料的性质,着重介绍了激光制冷的实验研究现状,并详细介绍了当前激光制冷器的最新结构设计和实验结果,特别是美国LosAlamos实验室的激光制冷器的结构设计和运转情况。讨论了制约激光制冷效率的因素,同时探讨了提高激光制冷效率的方法和途径,并对反斯托克斯荧光制冷技术的应用前景及其未来发展方向进行了探讨与展望。

反斯托克斯荧光制冷技术的研究

自 1995年Epstein实现了光与热的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、质量轻、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。首先介绍了该制冷方式的发展历史、研究现状和激光制冷的研制水平 ;其次运用热力学基本定律对反斯托克斯荧光制冷过程中的能量转换关系及转换深度着重进行了分析 ,得出了这一过程的最大热力学效率的计算公式 ,为设计激光制冷器提供了热力学限制上限 ;

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 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。

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问题，根据吸收光谱和荧光发射谱，对Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ１０１溶液的反斯托克斯荧光制冷能力进行了数值计算。

反斯托克斯荧光制冷及其在空间遥感领域的应用

激光诱导反斯托克斯荧光制冷,是近年来刚刚起步的一个全新的制冷概念。它在体积、重量、振动、电磁、寿命等方面都具有其他制冷方式所无法比拟的优点,针对空间红外探测器致冷苛刻的空间环境具有良好的适应性。详细介绍了反斯托克斯荧光制冷目前发展的状况,展望了它在空间遥感领域的应用前景。

掺镱氟锆酸盐玻璃光纤反斯托克斯荧光制冷初探

用高纯原料制备了掺镱 1% ,2 % ,3 % m ol的氟锆酸盐玻璃 ,并研制了有芯皮料的氟锆酸盐光纤预制棒 ,拉制了光纤 ,并对它们的吸收谱进行了研究 ,初步探索了它们反斯托克斯荧光制冷机理 .

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。

荧光制冷器的未来发展

反斯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。根据反斯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LosAlamos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—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。

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Yb^3＋：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0．1～1．0cm时，由于荧光再吸收作用导致的荧光平均波长红移量在2．6～5．0nm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

通过研究单分子－光子泵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，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。得出了与其它研究者的实验曲线符合很好 的理论计算结果。与包含有很多的制冷中心的大块材料不同，一个发光中心作为单分子－光 子泵时，对其激发的最佳彼长处于吸收带的中心而不是边上。因此吸收系数会大大增加。

Yb^(3+):LuLiF_4晶体激光制冷的热负载管理

为了研究Yb^(3+):LuLiF_4晶体在反Stokes荧光制冷过程中的热负载管理机制,开展了在常压(1.0×105Pa)和高真空(2.5×10-3 Pa)状态下的激光制冷实验。掺杂浓度为5 mol%的样品由两根光纤支撑,被放置在真空状态不同的腔体内。利用波长1 020 nm,功率3 W的激光激发样品。在常压下,样品温度相对室温下降了△T≈12 K;在高真空下,△T≈26 K。对于常压状态,空气热对流负载约11.23 m W,光纤热传导负载约0.03 m W,腔体热辐射负载约4.8 m W。对于高真空状态,空气热对流负载约0.03 m W,光纤热传导负载约0.07 m W,腔体热辐射负载约10.4 m W。实验结果表明,当腔体压强由-105 Pa降至-10-3Pa时,空气热对流负载几乎忽略不计,而腔体热辐射负载则成为作用在制冷样品上最主要的热负载。

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。

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。

单分子-光子制冷泵

在分子尺度上研究了反斯托克斯荧光制冷的微观机制，首次提出“单分子一光子柔（ＳＭＰＣ）”概念．阐述了单个分子就可以制冷的观点，提出了在特定的条件下，单个分子可成为一台最小制冷机．通过分析该“单分子一光子泵”制冷的工作原理，论述了它的工作过程和特点．最后讨论了影响“单分子一光子泵”制冷效率的关键条件．

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荧光制冷材料时 。

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．