PDF《反斯托克斯荧光制冷的研究进展与综述》

在氯化钠晶体中的稀土离子电子跃迁的振动边带.在上面两个 系统中都可以观察到发光Ο 卡路里 lumino2caloric 效应.而他们的实验也仅限于观察到了 系统温度升高的速度变小 ,没能观察到系统的温度降低. 荧光制冷材料的另一个建议性材料是半导体 ,捷克一位理论物理学家在

1957 年发表 的论文中提出了这种建议.随后 Philco 公司在

1959 年申请了该方面的专利[13 ] .在这个 工作及后来的一些理论[14~17 ] 和实验[18 ,19 ] 工作中 ,人们弄清楚了其中的物理过程和机 制 ,认为半导体发出的荧光产生于结的电流注入 (如,L ED) 而不是来源于对激光的光吸 收.然而这些研究者无一进行过热力学方面的测量.有关半导体荧光制冷方面的研究在

1995 年有了热量被降低的报道[20 ] .在这个报道中 ,用于泵浦的激光被调谐到 1.

4 eV ,对 应着 GaAs 的带隙宽度 ,所选用的材料的量子效率是在 Bellcore[21 ] 测量的 ,非常高.然而 却没有观察到净的制冷.主要是由于 GaAs 具有比较大的折射率 ,这就减小了外部的量 子效率 ,使得光子趋向束缚于材料的内部 ,增加了参与无辐射跃迁的几率.为了解决这样 的问题 ,E. Finkei β en 等人考虑到了使用 GaAs/ Ga1 - xAlxAs 量子阱材料 ,并在

1999 年成功 地将温度由

77 K下降了

7 K[22 ] .这个问题的解决 ,对芯片直接进行制冷就将成为可能 , 并具有巨大的应用前景. 人们也讨论和研究了其它许多种材料做为荧光制冷介质的可能性.1961 年在 Berkeley 召开的量子电子学会议上 ,S. Yatsiv[23 ] 在其报告中对三价钆离子进行了讨论 , 他选择钆离子是由于它的基态到激发态之间的能级间距非常大 (~300 nm) .在讨论中 Dieke 建议可以利用 Zeeman 劈裂的特点 ,通过降低磁场强度使制冷过程中基态的能级劈

4 9 物理学进展20 卷 裂可以随着 KT 变化来调谐.然而 ,在那个时代可以选用的光源也只有经过虑光的汞 灯 ,大大地降低了该过程的效率.几年之后 ,随着激光器的发明 ,企图得到荧光制冷的实 验成为可能.这也是为什么人们通常称反斯托克斯荧光制冷为激光制冷的原因. T. Kushida 和J.E. Geusic[24 ] 在Bell 实验室利用 Nd3 + : YAG激光器去泵浦一个相同材 料(Nd3 + : YAG) 的制冷器样品.他们的理由是 ,受激激光发射的平均能量应该比第二块 晶体的同一对能级间的自发辐射的平均能量低.不幸的是 ,没有观察到净的制冷效应 ,其 中的一个原因是样品中的稀土不够纯净 ,造成了吸收和无辐射弛豫 ,产生了寄生热.当然,对于 Nd3 + 离子来说还存在着另外一个问题 ,在所用的激发态能级的上面和下面存在 着一些其它的 4f 带 ,退激发过程中存在着无辐射跃迁 ,产生了大量的声子 ,从而抵消了过 程中的制冷效应.在几年之后的一次会议上 ,M. S. Chang 提出了利用有机染料溶液实 现反斯托克斯荧光制冷的可能性 ,直到

1972 年该工作才得以完成[25 ] ,并在

1995 年得到 了实现.第一个观察到具有实际制冷现象的系统是由 CO2 激光器泵浦的 CO2 气体的振 动态跃迁[26 ] .用10.

6 μm 的二氧化碳激光泵浦二氧化碳分子的 (10° 0) →(00° 1) 跃迁 , (00° 1) →(00° 0) 的反斯托克斯荧光发射为 4. 3μm ,并具有理想的分支比.观察到的气体 压强变化与~1 K的制冷相一致.然而 ,同固体材料相比 ,气体的密度比较低 ,碰撞退激 发要在比较高的气体压力下才能起决定作用.很明显这样的系统对于实际的制冷器并不 理想. 最后 ,在理论方面应该提到一些有参考价值的论文.微波激射器(Maser) 发明后仅仅 几年 ,人们建议应该采用反转工作方式以提高制冷效率[27 ] . M. A. Weintein[28 ] , Yu. P. Chukova[29~33 ] , O. Kafri &