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| 固体材料激光冷却,也叫做光学制冷,它主要是研究光与固体物质相互作用的发展得非常快的一门科学。利用材料的反斯托克斯荧光来冷却固体材料的思想最初是由Pringsheim在1929年提出。1995年,Epstein小组首次在实验上验证了这个理论的可行性。自此之后,人们在很多种掺杂镱稀土离子的玻璃和晶体材料中实现了激光制冷。本文首先从原理,材料,实验,应用等方面阐述了固体材料激光冷却的研究背景。其次给出了研究激光制冷的两个典型模型,分为经典理论和量子理论,通过这两个模型可以分别得到固体材料激光制冷的制冷功率和冷却极限。以此为基础我们提出了影响制冷的因素及提高制冷效率的途径,包括有提高量子效率,保证材料的纯度,避免荧光再辐射以及提高泵浦功率和吸收截面。考虑到以上几个影响制冷的因素,我们提出将制冷材料Yb3+:ZBLANP做成微球形状来提高制冷的方案。这个方案使用光镊使微球悬在空中,减少了热传导。同时由于球的高度对称性可以减少荧光再吸收,使反斯托克斯荧光光子更容易逃出微腔,并且由于腔增强效应,提高了材料的吸收和球内的场强。为了求得提高材料吸收和球内场强对制冷效果的影响我们首先要对球内的电磁场模式进行分析,球内的模式由于微腔的限制作用形成回音廊模式(WGM),我们使用米氏理论求得了模式的理论解,然后通过数值模拟对光镊可行性进行了分析,并且使用了comsol多物理场仿真软件对电磁场模式进行了分析。最后在我们的例子里,获得了12倍的吸收增强和2000多倍的场增强,在5s内获得了70多K的温降。这个方案结合了WGM模式优点,使得固体材料激光制冷有更好的发展前景。比如基于固体材料激光冷却的辐射平衡激光器和基于WGM研究的低阈值激光器可以结合在一起,可以大大提高激光器的性能。 |
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