掺杂Yb~（3+）：ZBLAN玻璃材料的激光冷却

【摘要】： 近年来,基于反斯托克斯荧光制冷的固体材料激光冷却技术得到了快速发展。新材料的不断发现以及方案的创新激发了人们对该领域研究的兴趣。本文首先综述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,介绍了各种荧光制冷的温度测量技术。随后本文以掺杂Yb~(3+)的ZBLAN块状玻璃材料为研究对象,开展了相应的理论分析与实验探索。 我们首先理论研究了荧光制冷过程,并对Yb~(3+)掺杂材料进行了理论计算,讨论了材料的冷却极限。随后采用一个二能级系统模型分析了Yb~(3+)离子~2F_(7/2)→~2F_(5/2)能级之间的吸收与受激辐射过程,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、泵浦功率、有效吸收截面等对冷却极限的影响,同时分析了荧光再吸收对制冷的影响。最后对冷却的物理过程进行了理论计算,从而得到了冷却过程中温度随时间的变化曲线。 我们提出了腔内增强激光冷却的方案。由于激光制冷实验中要求的激光功率大,激光器成本高,因此该技术距离商业化还有很大的距离。通过把样品材料放在谐振腔中,一方面提高了腔内泵浦功率,同时也增加了样品对泵浦光的吸收。研究表明腔增强后的功率可达到原功率的十多倍,这使得我们可以使用100mw甚至更低的功率来研究激光冷却,半导体激光器就可以满足该要求。此外,我们研究了腔增强方案中腔的精细度、功率增强因子、最佳反射率、最佳的材料吸收等参数。为了更好地实现增强效果,我们还提出了把材料放在激光器腔内冷却的方案。研究表明,在低损耗的情况下,可达到上百倍的增强,制冷效果也得到大大改善。 我们提出了掺杂纳米金属粒子材料的激光冷却增强方案。该增强的原理是复合材料中会产生洛仑兹局域场修正的有效电磁场,从而改变材料的介电常数,导致吸收跃迁几率的提高。同时掺杂金属离子会导致基于等离子的荧光增强,从而实现增强的反斯托克斯散射过程。 在理论研究的基础上,我们开展了腔增强的实验探索。以半导体激光器为光源,构建了平凹腔,对光学谐振腔进行了扫描,同时利用锁相放大器实现了对腔的伺服控制,把谐振腔锁在共振峰上,从而实现了腔内增强。此外,测量了掺杂Yb~(3+)的ZBLAN块状玻璃材料的荧光光谱,研究了掺杂浓度和温度对光谱强度的影响,得到了不同温度下的差分光谱,实现了温度与谱线强度的定标。