ho3 tm3单掺ylf晶体激光制冷分析-laser refrigeration analysis of ho3 tm3 single-doped ylf crystal.docx

摘要固体激光制冷或反斯托克斯荧光制冷，可用于制造紧凑型、无振动且可靠性高的全固态制冷装置而受到了大量的关注。在过去的17年中，固体激光制冷得到了系统的发展，并且最近已经进入超低温制冷的范畴。但是，目前得到的制冷效率对于实际应用仍有待于进一步提高。解决这个问题的一个途径是：采用电子能带宽度较窄的稀土离子掺杂的新型光学材料作为制冷介质。本文就两种低声子能光学材料—Ho3+:YLF晶体和Tm3+:YLF晶体的固体激光制冷，做了理论上的研究。本文首次为反斯托克斯荧光制冷建立了一个四能级主方程模型。根据此模型导出的稀土掺杂离子在激发态电子能级的斯塔克劈裂间的统计特性，给出了理想制冷功率密度随温度的变化规律，并推测出Ho3+:YLF晶体的制冷温度范围。此外，还给出了反斯托克斯荧光制冷的二能级速率方程模型，用来描述固体激光制冷系统中光子吸收和辐射的细节问题。分析了固体激光制冷系统的两个最重要参数—吸收效率和外量子效率—对制冷效率的影响。根据Ho3+5I7和Tm3+3F4能级在YLF晶体中的发射光谱数据和材料参数，给出了对应于5I7→5I8和3F4→3H6跃迁的平均荧光波长随温度的变化规律。利用能带定律，计算得到了掺杂浓度分别为0.5%和1%的Ho3+:YLF和Tm3+:YLF晶体样品的外量子效率。利用Ho3+5I7和Tm3+3F4能级在YLF晶体中的吸收光谱数据，得到了与背景吸收、泵浦波长和泵浦功率有关的吸收效率。接着，分析得出Ho3+:YLF和Tm3+:YLF晶体样品的最大制冷效率及相应的最佳泵浦波长，和最大制冷功率及最佳泵浦功率。结合具体的实验装置，分析了固体激光制冷系统的热力学过程。根据热负载与冷负载的热平衡条件，给出了不同泵浦条件下Ho3+:YLF晶体样品的理想制冷温度。并且从辅助制冷和额外产热的角度讨论了Ho3+和Tm3+离子的上转换通道对固体激光制冷的影响。最后，基于包含激发态吸收和能量传递上转换过程的四能级速率方程模型，导出了高激发情况下上转换通道制冷加强的判别条件。关键词：固体激光制冷；反斯托克斯荧光；Ho3+:YLF晶体；Tm3+:YLF晶体ABSTRACTLasercoolingofsolidsoranti-Stokesfluorescencecooling(ASFC)hasattractedgreatinterest,asitcouldbethefoundationoffabricatingcompact,vibration-free,andreliableall-solid-statecryocoolers.Itwassystematicallydevelopedinthepast17years,andhasrecentlyenteredcryogenictemperaturecoolingrange.However,thecoolingefficiencyachieveduntilnowremainstobepromotedforpracticalapplications.Asolutionfortheissuecouldbeapplyingnewopticalmaterialsdopedwithrearearthionsofsmallelectronicenergygap.Inthisthesis,twolow-phononopticalmaterials-Ho3+:YLFcrystalsandTm3+:YLFcrystalsareinvestigatedtheoreticallyforlasercoolingofsolids.AfourenergylevelmasterequationmodelofASFCisestablishedforthefirsttime.Thedistributioncharacteristicofexcitedstaterear-earthionsamongtheStarkenergylevelsisdeduced,baseonwhich,theidealachievablecoolingpowerdensitythatvarieswithtemperatureispresented,andthepracticalcoolingtemperatureforHo3+:YLFcrystalisestimated.Also,atwoenergylevelrateequationmodelofASFCisprovidedtodescribephotonabsorptionandemissiondetailsinasolidlasercoolingsystem.Thecoolingefficiencyisillustratedwiththeabsorptionefficiencyandexte