We propose a new method to cool the Yb3+-doped ZBLANP glass in a standing-wave cavity. There are two advantages of this cavity-enhanced technique: the pumping power is greatly enhanced and the absorption of the cooling material is greatly increased. We introduce the basic principle of the cavity-enhanced laser cooling and discuss the cooling effect of a solid-state material in a cavity. From the theoretical study, it is found that the laser cooling effect is strongly dependent on the reflectivity of the cavity mirrors, the length of the solid material, the surface scattering of the material, and so on. Some optimal parameters for efficient laser cooling are obtained.

建立了荧光再吸收的蒙特卡罗计算模型,对不同尺寸的Yb3+:ZBLANP玻璃材料的荧光再吸收作用进行了数值计算,给出了由于再吸收作用引起的荧光平均波长红移与界面反射和材料尺寸的关系.对于立方体形状,当材料尺寸较小时由界面全反射引起的荧光平均波长红移量占主要部分;随着尺寸的变大,界面全反射的影响相对变小;材料尺寸在0.1～1.0 cm时,由于荧光再吸收作用导致的荧光平均波长红移量在2.6～5.0 nm范围内.随激发光波长的变化绝对制冷效率和单位长度的制冷功率均存在极大值,荧光平均波长红移使制冷效率明显下降,通过减小材料尺寸、改变材料形状等措施可减小荧光再吸收作用对激光冷却固体的不利的影响.

提出了一种用于块状Tm3+掺杂玻璃ZBLANP(ZrF4BaF2LaF3NaFPbF2)激光致冷的新方案,即通过两组相互垂直的高反射率平面镜的多次反射,增加对抽运光的吸收,为了减少抽运光在样品表面入射时的反射损失,抽运光以布儒斯特角入射。重点就该方案的样品致冷温度和时间常量进行了详细的理论计算与分析,从理论上分析了入射激光功率为1 W时致冷功率和反射次数的关系,研究了不同入射激光功率下致冷温度和反射次数的关系。结果表明,入射激光功率分别为3 W、4 W、5 W时,样品可以分别从室温(300 K)被冷却到275.7 K、267.4 K、259.1 K。特别是在入射激光功率为4.5 W时,样品从室温开始被冷却到263.2 K ,即致冷后样品的温度下降了36. 8K, 比传统致冷方法提高了约53.3%,相应的致冷时间常量为22.7 min。

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4500 cm-1,能级间距在5000～6000 cm-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。

激光诱导反斯托克斯荧光制冷,是近年来刚刚起步的一个全新的制冷概念.它在体积、重量、振动、电磁、寿命等方面都具有其他制冷方式所无法比拟的优点,针对空间红外探测器致冷苛刻的空间环境具有良好的适应性.详细介绍了反斯托克斯荧光制冷目前发展的状况,展望了它在空间遥感领域的应用前景.

从1995年Epstein实现了光与热的制冷效应的历史性突破以来,由于该制冷方法具有全光性的独特优点,同时制备的制冷器具有无振动和噪声、无电磁辐射、体积小、重量轻、可靠性高等特点,故反斯托克斯荧光制冷器在**、航天卫星、微电子、低温物理与工程等领域具有非常诱人的应用前景.运用热力学基本定律对反斯托克斯荧光制冷过程中的能量转换关系及转换深度进行分析,推导出这一过程的最大热力学效率的计算公式,获得设计激光制冷器热力学限制上限.

自1995年Epstein实现了光与热的制冷效应的历史性突破以来,由于该制冷方法具有全光性的独特优点,同时制备的制冷器具有无振动和噪声、无电磁辐射、体积小、质量轻、可靠性高等特点,因此反斯托克斯荧光制冷器在**、航天卫星、微电子、低温物理与工程等领域具有非常诱人的应用前景.首先介绍了该制冷方式的发展历史、研究现状和激光制冷的研制水平;其次运用热力学基本定律对反斯托克斯荧光制冷过程中的能量转换关系及转换深度着重进行了分析,得出了这一过程的最大热力学效率的计算公式,为设计激光制冷器提供了热力学限制上??最后对激光制冷的应用前景和问题进行了分析.