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1、第25卷第10期2005年10月光学学报ACTAOPTICASINICAVol.25,No.10October,2005文章编号:02532239(2005)1013755Tm3+掺杂材料激光冷却的研究*贾佑华印建平**(华东师范大学物理系光谱学与波谱学教育部重点实验室,上海200062)摘要:固体材料的激光制冷又称反斯托克斯荧光制冷,是近年来刚兴起的全光学制冷技术。该技术的核心问题是制冷材料的选择。以Tm3+掺杂离子为例,从理论上分析了最小制冷能级间距与激光抽运速率的关系,研究了不同抽运速率下制冷功率与能级间距的关
2、系以及热光转换效率与能级间距的关系,获得了最佳热光转换效率与抽运速率的关系,结果表明,最小的制冷能级间距约为4500cm-1,能级间距在5000~6000cm-1的宽度是比较合适的。最后探讨了Tm3+掺杂材料用于激光冷却的可行性,并讨论了制冷基体材料的合理选择问题。关键词:光学材料;反斯托克斯荧光制冷;抽运荧光辐射循环;抽运速率;能级间距;制冷功率;热光转换效率中图分类号:O482.2;O482.31文献标识码:AResearchonLaserCoolinginThuliumDopedMaterialsJiaYouhua
3、YinJianping(KeyLaboratoryforOpticalandMagneticResonanceSpectroscopy,DepartmentofPhysics,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062)Abstract:LasercoolingofsolidmaterialisalsocalledantiStokesfluorescentcooling,anditisadevelopingallopticalcoolingtechnologyinrecentyear
4、s.Thekeyquestionofthiscoolingtechniqueistochoosesuitablematerials.TakingTm3+ionasanexample,relationshipbetweentheminimumenergygapandthelaserpumpingrateisanalyzed,andtherelationshipbetweentheenergygapandthecoolingpoweraswellastherelationshipbetweentheenergygapandt
5、heheatlightconvertingefficiencyunderthedifferentpumpingrateisstudied,thentherelationshipbetweentheoptimalheatlightconvertingefficiencyandthepumpingrateisobtained.Itisfoundthatenergygaprequiredinthecoolingcycleshouldbeatleast4500cm-1.Itismoreappropriatetochoosethe
6、energygapat5000~6000cm-1.Finally,thefeasibilityoflasercoolingofthuliumdopedmaterialandthechoiceofhostmaterialarebrieflydiscussed.Keywords:opticalmaterials;antiStokesfluorescentcooling;cycleofpumpingandfluorescentradiation;pumpingrate;energygap;coolingpower;heatli
7、ghtconvertingefficiency1引言早在1929年,Pringsheim提出了利用反斯托激光冷却的思想。随后,人们就反斯托克斯荧光制冷问题开展了一系列研究工作,并取得了很大的进3+克斯荧光对材料进行制冷的思想,它指出某些材料展。最近,人们相继实现了各种掺Yb基质材料如可通过吸收某一长波长的激光并辐射短波长荧光而实现光学冷却。1995年,美国LosAlamos国家实验室的Epstein等[1]成功实现了掺杂Yb3+重金属KGd(WO4)2晶体,YAG晶体,KPb2Cl5晶体,KY(WO4)2晶体和Y
8、2SiO5晶体等的激光冷却。因此,制冷材料的选择无疑是激光冷却实验成败的关3+氟化物玻璃ZBLANP(ZrF4BaF2LaF3AlF3NaF键问题之一。目前,虽然稀土Yb掺杂材料是固体PbF2)的激光冷却,从而实验验证了上述固体材料材料激光冷却研究中的主流,但若能找到新的掺杂*国家教育部博士点基金(200402
