PDF《反斯托克斯荧光制冷的研究进展与综述》

R. D. Levine[34 ] , 和Landsberg &

Tonge[35 ] 等很详细地研究 了反斯托克斯荧光过程的热力学问题. 1.

2 突破

1995 年 ,美国 Los Alamos 国家实验室空间制冷技术研究组的 Epstein , Buchwald , Edwards , Gosnell , 和Mungan 等人首次成功地通过激光诱导反斯托克斯荧光在固体体材 料上获得净的制冷.他们在这方面的研究工作发表了大量的论文 ,为了以后叙述方便将 这个研究组缩写为 EEB GM .这个成功的实验是用掺杂 Yb3 + 重金属氟化物玻璃完成的. 稀土离子 Yb3 + 具有简单的能级结构 ,也就是说 ,在玻璃体材料的紫外吸收边的下方 ,只有 两个非均匀展宽的能级 ,即一个四能级的2 F7/ 2基态和一个三能级的2 F5/ 2激发态 ,它们之间 有近

1 μm 的能隙劈裂.他们所用的玻璃基质材料是 ZBLANP(ZrF4Ο BaF2Ο LaF3Ο AlF3Ο NaF Ο PbF2) ,一种声子能量较低的材料.在过去的十几年中人们对这种玻璃进行了较深入的 研究 ,因为它具有用做电信滤波介质的可能性.对于荧光制冷研究来说 ,镱在该基质中具 有非常理想的无辐射长寿命及高的平均荧光光子能量. EEB GM 利用共线光热探测技术 ,研究了掺杂

1 wt % Yb3 + 的ZBLANP 样品的微观 制冷性质.用斩波的红外光照射样品 ,同时加上一束反向的 HeNe 激光束聚焦在样品的 相同区域 ,0.

5 Hz 斩波的泵浦红外光引起 HeNe 激光发生热诱导的角度变化 ,并被数字示 波器同步地探测到.观察到的探测信号的大小作为泵浦波长的函数 ,它决定于样品的吸 收和红外光的泵浦功率.

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2 期 秦伟平 :反斯托克斯荧光制冷的研究进展与综述 在实验中 ,EEB GM 采用了两个完全相同的样品 ,样品的形状如火柴杆 ,悬吊在一个 真空室内.沿着其中的一个样品的长轴用功率为

800 mW 波长为

1008 nm 的光进行照 射.为了探测照射样品相对于非照射样品的温度 ,用一个 InSb 焦平面阵列测量样品上一 个小点的黑体辐射.他们探测到了低于环境温度 0.

3 K 的净制冷效应 ,并给出了制冷效 率. 另外 ,EEB GM 在后来的固体制冷工作上也取得了引人注目的进展.EEB GM 采用的 主要方法是将样品的几何形状变得更加合理 ,在实验中他们采用了镱掺杂的 ZBLANP 玻 璃光纤.用770 mW 的1015 nm 激光泵浦 ,使样品温度从

298 K变到了

282 K ,温度降低 了16 K[35 ] ,制冷效率约为

2 %;

并且还在

100 K~300 K之间的不同温度下实现了激光制 冷[36 ] .1998[37 ] 年和

1999 年该研究组分别报道了在功率为

1360 mW 和2.

2 W 的激光泵 浦下 ,样品温度降低达

21 K 和65 K 的结果.荧光光谱的形状受基态和激发态能级的 Boltzmann 分布的影响 ,在EEB GM 的上述几个实验中温度是直接从测量荧光光谱的形状 得到的. 1.

3 理论上的进一步探讨 在反斯托克斯荧光制冷的研究中 ,中科院激发态物理开放实验室的研究人员提出了 反斯托克斯荧光制冷的两种物理模型Ο 单中心制冷模型和能量传递模型[38 ,39 ] ;

基于这样 两种机制 ,我们进一步提出了双机制并行的荧光制冷思想[40 ] . 在上述研究的基础上 ,我 们还提出了单分子Ο 光子泵理论[41 ] ,即认为单个分子或离子在特定的条件下就是一台最 小的荧光制冷器的观点. 1. 3.

1 单中心反斯托克斯荧光制冷模型(ASFCSC) 从荧光制冷的想法提出到制冷现象被观察到 ,研究者们采用的物理模型是同中心的 反斯托克斯荧光发射机制.即一个发光中心吸收较低能量的光子后 ,再发射出较高能量 的光子.这两种光子间的能量差是由材料的热激发所形成的.也就是说 ,材料中的热能 转变成了光能 ,并以荧光的形式被带走.这样 ,材料的温度就会降低 ,达到制冷的目的. 以上的光吸收过程和热激发导致的反斯托克斯荧光发射过程 ,是在同一发光中心进行的. 因此 ,我们称其为单中心反斯托克斯荧光制冷模型 (ASFCSC ― ― ―A ntiΟStokes Fluorescent Cooling in Single Center) . 1. 3.