增益介质中伴生“激光辐射”和“超荧光制冷”两种效应的理论与实验研究

高功率固体激光器面临散热困难，急需一种能够从增益介质内部和表面同时散热、能够即时散热的新技术。传导、对流等传统技术受到热交换固有规律的限制，无法满足上述特殊的散热要求。本课题基于"超荧光致冷"和"量子亏损发热"两种热效应相消的原理，提出固体增益介质"自冷却"的新概念：同一介质中，"受激发射跃迁"产生激光，该激光的一部分被用于激励"超荧光跃迁"。在超荧光波长λ1小于介质吸收谱带平均波长λ0的条件下，超荧光光子从介质内部移除晶格热能。通过理论计算，分析比较Nd、Yb、Tm、Er能级体系中"受激辐射发光"与"超荧光制冷"两种过程并存的最佳条件，解决发光与制冷相互协同、互不干扰的问题。制备稀土离子1－3％掺杂的介质，研究外置短脉冲诱导多个受激粒子（原子、分子体系）合作自发发射效应的新技术，提高超荧光制冷效率和时、空域可控性。应用前景：使高能激光器与光学制冷器融为一体，正常发光而介质内不沉积废热。

项目组利用半经典理论，研究了超荧光辐射的基本理论，得到超荧光辐射脉冲的时域表达式，解释了超荧光脉冲的延迟效应和高亮度特征。基于准三能级材料，研究了超荧光辐射制冷的功率、效率与材料和泵浦条件的关系，并比较了超荧光辐射制冷和普通反斯托克斯荧光制冷的异同点，指出了超荧光制冷的优势。.提出了一种激光发光与超荧光冷却交替运行的调Q激光器模型。该激光器的基本原理是：利用Q开关关闭时的超荧光制冷效应，抵消产生Q开关激光脉冲时所沉积的热量，以间歇式冷却方式使增益介质中的热沉积趋近于零。.委托加工了Yb:KGW晶体和掺Yb磷酸盐玻璃，测量了Yb:KGW晶体的偏振吸收光谱和偏振发射光谱，以及掺镱磷酸盐玻璃的吸收光谱和发射光谱。利用倒易法和F-L公式相互补充、校验，分别计算吸收截面和发射截面。结果表明：Yb:KGW晶体的吸收截面及发射截面比掺镱磷酸盐玻璃的截面约高一个量级。利用测得的吸收和发射光谱数据，计算了材料的超荧光制冷性能，计算结果为：Yb:KGW晶体的最佳泵浦波长在1022nm附近，最佳偏振方向为E//m，在1W泵浦功率下，Yb:KGW晶体的制冷功率计算值约为24~26mW，掺镱磷酸盐玻璃的制冷功率计算值约为1.9mW。.实验采用光谱物理公司生产的Mai Tai HP型超短脉冲可调谐激光器作为泵浦源，对Yb:KGW晶体材料进行了超荧光制冷实验。第一种测温方案利用He-Ne激光作为探测光，根据光热偏转原理，对待测样品内部微小温度变化进行了定性测量，结果为：随着泵浦波长的增加，样品的量子亏损逐渐变小，样品发热减小，进一步增加泵浦光波长，则观察到制冷效果，表现为探测光束偏移量为负值，即偏转角方向反转。第二种测温方案利用热象仪直接测量样品的温度变化，结果表明：随着激发光波长的增长，样品温升随之降低，当波长为1040nm时，已达到制冷的效果。.基于Yb:KGW晶体，搭建了超荧光制冷激光器，得到了激光输出，观察到了超荧光，并在实验中发现Yb:KGW晶体辐射弱紫色光。但尚未观察到超荧光的明显制冷效果。.本项目的研究结果，对研制低内热固体（光纤）激光器具有指导作用。