铥掺杂固体介质相干反斯托克斯超辐射制冷效应及机理研究

Laser cooling of solids is of huge significance in the applications of compact opto-electronic devices and aerospace technology due to the advantages of no vibration, no electromagnetic radiation and so on. Thus, an very important research focuse is, currently in the field of laser physics, to explore new physical mechanisms in new classes of rare-earth-doped solids for intensifying laser cooling of solids. At present, it is very difficult, based on the mechanism of incoherent radiation cooling, to overcome the physical limitations of low cooling efficiency and long cooling period faced generally in laser cooling of solids. To solve the above two basic issues, the project aims to investigate the mechanisms and effects of coherence anti-Stokes superradiance cooling in high-quality Tm:YLF crystals, and to provide new solutions for enhancing cooling efficiency and reducing cooling period. This work is helpful to pave a new way for the development of all-solid-state optical refrigeration. The main research contents as follows: (1) We first develop the semiclassical theory model of coherence anti-Stokes superradiance cooling in Tm doped solds. The characteristics of superradiance cooling and the influence of system parameters on refrigeration performance are systematically studied. The condition of superradiance cooling and the radiation thermodynamics are deeply discussed, and the optimal design scheme is given. (2) We experimentally study the phenomena of coherence anti-Stokes superradiance in Tm:YLF crystals. (3) Based on the scheme of coherence radiation cooling, we try experimentally to achieve the superradiance cooling effects in Tm doped crystals and reveal the microscopic physical mechanism.

固体激光制冷因其具有无振动、无电磁辐射等优点在集成光电子器件和航天科学技术等领域具有巨大的应用价值。因此，探索新型稀土掺杂固体并利用新的物理机理实现高效固体激光制冷成为当前激光物理领域的一个重要研究课题。目前基于非相干荧光制冷机制，难以突破固体激光制冷普遍面临的制冷效率低、制冷时间长的物理限制。为解决上述两个关键问题，本项目以高品质Tm:YLF晶体为研究对象，探索其相干反斯托克斯超辐射制冷效应及作用机理，提高制冷效率、缩短制冷时间，拓展全固态光学制冷技术发展的新途径。主要研究内容包括：(1)率先发展Tm掺杂固体介质相干反斯托克斯超辐射制冷的半经典理论模型，详细研究超辐射制冷特性及系统参数的影响，深入探讨超辐射制冷条件及辐射热力学，并优化设计方案。(2)实验研究Tm:YLF晶体的相干反斯托克斯超辐射现象。(3)基于相干辐射制冷机制，探索实现Tm掺杂晶体的超辐射制冷效应，揭示其微观作用机理。

固体激光制冷又被称为光学制冷，是一种利用激光诱导的反斯托克斯荧光对稀土离子掺杂固体或半导体材料进行制冷的技术。由于其具有紧凑、无振动、无电磁干扰和无污染等优点，可应用于航天器搭载的电子装置的局部制冷，因而受到研究者们的广泛关注。本项目以稀土离子掺杂氟化物晶体为例，开展固体激光制冷新机制研究。具体开展了以下研究内容：(1) 基于对Ho3+掺杂氟化物晶体发射光谱的分析，将现有的光学制冷模型进行推广，使其能更加精确地描述Ho3+光学制冷过程，并以此模型为基础，给出了上转换辅助光学制冷的判据条件。(2) 研究双频泵浦加强的Ho3+光学制冷。根据Ho3+离子的能级特点，分析各跃迁通道的产热情况，阐明双频泵浦对Ho3+光学制冷性能的改进作用。为双频泵浦的Ho3+光学制冷进行理论建模，导出制冷功率密度和制冷效率的表达式。(3) 研究能量传递加强的光学制冷。通过分析比对Ho3+单掺和Ho3+, Tm3+双掺氟化物晶体在负调谐泵浦条件下的发射光谱，粗略推算Ho3+→Tm3+能量传递过程对系统制冷效率的提升幅度。根据能量传递的速率方程理论对Ho3+-Tm3+能量传递光学制冷进行理论建模，导出制冷功率密度和制冷效率的解析表达式。(4) 研究双脉冲泵浦增强的超辐射光学制冷。在阐明超辐射光学制冷基本原理的基础上，分析双脉冲泵浦机制较之连续-脉冲泵浦机制的优势所在。从闭合λ能级系统的动力学方程出发，导出密度矩阵元的解析解。数值模拟利用两种泵浦机制实现的超辐射光学制冷过程，给出超辐射光学制冷功率随温度的变化规律。根据面积定理推算适宜超辐射光学制冷的样品尺寸。讨论采用不同泵浦能级对系统制冷表现的影响，通过合理的近似和理论推导给出超辐射光学制冷泵浦能级的优化选择依据。