Tm～（3+）离子掺杂材料激光制冷的理论分析
【摘要】：激光制冷是近年来发展起来的制冷新技术，这项技术利用反斯托克斯荧光带走材料中的热能，具有全光型、无机械振动、无电磁辐射、不受外界电磁辐射的影响和工作寿命长等特点。特别是掺T_m~(3+)：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。本文首先简单介绍了反斯托克斯荧光制冷的原理，综述了影响制冷效果的主要因素；其次，研究了Tm~(3+)离子掺杂材料的激光制冷问题。最后，展望了激光制冷的应用前景和未来荧光制冷器的发展。
本文采用一个简单的理论模型，就T_m~(3+)：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、泵浦功率、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T_m~(3+)：ZBLANP光纤的激光冷却实验提供可靠的理论依据。
本文提出了一种用于块状Tm~(3+)掺杂玻璃(ZrF_4-BaF_2-LaF_3-NaF-PbF_2)ZBLANP激光制冷的新方案，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。重点就本方案的样品制冷温度和时间常数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1W时制冷功率和反射次数的关系，研究了不同入射功率下制冷温度和反射次数的关系。结果表明：当入射激光功率为3W、4W和5W时，样品可以从室温(300K)冷却到275.7K、267.4K和259.1K。特别地，当入射激光功率为4.5W时，样品从室温开始被冷却到263.2K，即制冷后样品的温度下降了36.8K，比传统制冷方法提高了约53.3％，相应的制冷时间常数为22.7min。
【关键词】：固体材料的激光冷却 反斯托克斯荧光 量子效率 荧光再吸收 辐射耦合 制冷温度 时间常数 【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：O431.2
【DOI】：CNKI:CDMD:2.2006.124620
【目录】：
- 摘要9-10
- 英文摘要10-12
- 第一章 文献综述：固体材料的反斯托克斯荧光制冷12-27
- §1 引言12-13
- §2 反斯托克斯Raman散射13-14
- §3 激光制冷的循环过程和实现制冷的条件14-15
- §4 关于反斯托克斯荧光制冷的热力学讨论15-18
- §5 用于反斯托克斯荧光制冷的材料和相关的理论模型18-26
- 5.1 微扰理论18-20
- 5.2 三能级模型20-23
- 5.3 能量平衡模型23-26
- 参考文献26-27
- 第二章 影响激光制冷效果的因素27-36
- §1 引言27
- §2 量子效率的影响27-28
- §3 能级间距的影响28-30
- 3.1 基态和激发态间的能级间距28-29
- 3.2 激发态子能级间的能级间距29-30
- §4 泵浦波长的影响30-32
- §5 荧光再吸收的影响32-33
- §6 杂质和背景吸收的影响33-34
- 6.1 杂质的影响33
- 6.2 背景吸收33-34
- §7 与周围环境的耦合34-35
- 参考文献35-36
- 第三章 T_m~(3+)：ZBLANP光纤激光制冷的理论分析36-50
- §1 引言36
- §2 研究T_m~(3+)掺杂光纤材料激光制冷的理论模型36-39
- §3 T_m~(3+)掺杂光纤样品激光制冷的理论计算与分析39-47
- 3.1 荧光量子效率的影响39-42
- 3.2 背景吸收的影响42-43
- 3.3 泵浦功率的影响43-44
- 3.4 出射荧光平均波长变化的影响44-46
- 3.5 周围环境耦合的影响46-47
- §4 本章小结47-49
- 参考文献49-50
- 第四章 Tm~(3+)掺杂ZBLANP样品激光制冷的新方案及其理论计算50-60
- §1 引言50
- §2 激光制冷实验中需要解决的问题50-53
- §3 激光制冷方案的改进53-54
- §4 制冷的理论计算54-58
- 4.1 理论模型54-57
- 4.2 时间常数57-58
- §5 本章小结58-59
- 参考文献59-60
- 第五章 总结与展望60-66
- §1 工作总结60-61
- §2 本文的创新点61
- §3 激光制冷的最新发展61-62
- §4 应用展望62-65
- 参考文献65-66
- 附录：硕士研究生阶段发表与待发表的论文目录66-67
- 致谢67
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