Yb3+:LuLiF4晶体反斯托克斯荧光制冷的研究

It is of keen interest to reduce the electric-induced thermal noise effectively and to improve the sensitivity of the IR detectors applied on a broad range in space measurement purposes, especially in the fields of Intelligence Surveillance and Reconnaissance (ISR), Operationally Responsive Space (ORS), Space Situational Awareness (SSA), and Ballistic Missile Defence System (BMDS). Solid-state optical refrigeration based on anti-Stokes fluorescence cooling with no electromagnetic radiation interference, no vibration and no noise can effectively solve this problem. We study the laser cooling on the theory and the experiment utilizing the Yb3+：LuLiF4 crystal placed the non-resonant cavity pumped by fiber laser with high power. The study includes: (1) Figure the optimum concentration of Yb3+ for best performance of laser cooling; (2) Enhance the absorption of pumping laser utilizing the non-resonant cavity; (3) Design the clam shell to absorb the fluorescence photons emitted by the LuLiF4 crystal as well as to reduce the heat load induced by blackbody radiation. This project will contribute to optical refrigeration with independent core technology patents and also provide the technology supporting for probing cryogenic optical cooling material, cryogenic optical refrigeration, non-thermal laser, ultra-stable laser and laser interferometer.

有效降低红外探测芯片的噪声，提高探测系统的灵敏度是遥感遥测、航天航空等空间领域，尤其是情报监督侦查，作战及时响应空间，空间态势感知，弹道导弹防御系统等特殊领域面临的重大难题。而基于固体激光冷却的光学冰箱具有无电磁辐射、无振动、无噪声等特点，因此，恰能解决上述难题。本项目以具有低温制冷潜力的Yb3+：LuLiF4晶体为研究对象，开展固体材料激光制冷的理论和实验研究。具体内容包括：（1）研究掺杂不同浓度的Yb3+:LuLiF4晶体对激光制冷行为的影响，筛选最佳掺杂浓度的晶体用于激光制冷；（2）利用非共振腔增强技术，泵浦激光多次通过样品的方式增加晶体对泵浦激光的吸收功率；（3）研制蛤式样品盒，管控样品自发辐射产生的荧光辐射加热，有效降低环境黑体辐射热负载，获得最大温降。本项目为我国拥有自主核心技术专利的光学冰箱打下基础，也为探索新颖低温激光制冷材料、无热激光、超稳光学干涉仪提供实验技术。

有效降低红外探测芯片的噪声，提高探测系统的灵敏度是遥感遥测、航天航空等空间领域，尤其是情报监督侦查，作战及时响应空间，空间态势感知，弹道导弹防御系统等特殊领域面临的重大难题。而基于固体激光冷却的光学冰箱具有无电磁辐射、无振动、无噪声等特点，因此，恰能解决上述难题。本项目以具有低温制冷潜力的Yb3+：LuLiF4晶体为研究对象，开展固体材料激光制冷的理论和实验研究。具体内容包括：（1）研究掺杂不同浓度的Yb3+:LuLiF4晶体对激光制冷行为的影响，筛选最佳掺杂浓度的晶体用于激光制冷；（2）利用非共振腔增强技术，泵浦激光多次通过样品的方式增加晶体对泵浦激光的吸收功率；（3）研制蛤式样品盒，管控样品自发辐射产生的荧光辐射加热，有效降低环境黑体辐射热负载，获得最大温降。本项目为我国拥有自主核心技术专利的光学冰箱打下基础，也为探索新颖低温激光制冷材料、无热激光、超稳光学干涉仪提供实验技术。通过本项目的实施，我们成功把Yb3+:LuLiF4晶体冷却到绝对温度142K附近，根据实验数据，我们模拟了该晶体的冷却窗口，发现通过进一步提高泵浦光的吸收，可以把该晶体冷却到低温度温度123 K以下，甚至可以冷却到100 K附近。此外，我们通过搭建的激光冷却实验平台，探索了Yb:YAG晶体的激光冷却特征，在实验上把3%Yb:YAG晶体冷却到225K，为无热激光器的研究打下基础。