（光学专业论文）掺杂稀土材料激光冷却的理论研究.pdf

论文摘要 近年来，基于反斯托克斯荧光制冷的固体材料激光冷却技术得到了侠速发 展。本文首先简单介绍了固体材料激光冷却的基本原理及其技术，随后综述了各 种固体激光冷却的新材料、新方案和新结果及其最新实验进展，并介绍了各种荧 光制冷的温度测量技术。最后，展望了反斯托克斯荧光制冷的应用前景和荧光制 冷器的发展。 本文采用简化的二能级系统分析了荧光制冷中的激光拙运一受激辐射过 程。以t m 3 + 掺杂离子为例，从理论上分析了最d 、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一光转换效率 与能级间距的关系，获得了最佳热一光转换效率与抽运速率的关系，从而探讨了 t m 3 + 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。 本文采用个二能级系统模型分析了y b 3 + 离子2 f m 一2 f 5 2 能级之间的吸收 与受激辐射过程，讨论了影响制冷功率的因素，找到了提高制冷功率的途径，详 细分析了掺杂离子浓度、泵浦功率、有效吸收截面对冷却极限的影响。同时对冷 却的物理过程进行了模拟，从而得到了冷却过程中温度随时间的变化曲线，该结 果与实验曲线基本一致，从而验证了采用二能级模型分析反斯托克斯荧光制冷的 合理性。 关键词：激光制冷，反斯托克斯荧光，抽运速率，能级间距，制冷功率，热一 光转换效率 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，t h e l a s e r c o o l i n gt e c h n i q u eo fs o l i dm a t e r i a l sb a s e do nt h e a n t i s t o k e sf l u o r e s c e n ts c a t t e r i n gh a so b t a i n e df a s tp r o g r e s s i nt h i st h e s i s t h eb a s i c p r i n c i p l e o nl a s e r c o o l i n g o fs o l i da n di t s t e c h n i q u e a r ef i r s tb r i e f l yi n t r o d u c e d s e c o n d ，a l l o ff l e w c o o l i n gm a t e r i a l s ，s c h e m e s a n dr e s u l t sa n dt h e i rr e c e n t e x p e r i m e n t a lp r o g r e s s e s a er e v i e w e di ns o m ed e t a i l m e a n w h i l e ，d i f f e r e n t t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s a r es u r m n a r i z e d f i n a l l y , t h ea p p l i e dp r o s p e c t o n l a s e rc o o l i n go fs o l i dm a t e r i a l sa n dt h ed e v e l o p m e n to f o p t i c a lr e f r i g e r a t o r sa r cb r i e f l y d i s c u s s e da n d1 0 0 k e da b e a d w ep r o p o s ea s i m p l i f i e d t w o l e v e l s y s t e m t o a n a l y z e t h e p u m p i n g a n d s t i m u l a t e d e m i s s i o np r o c e s s e s u s i n gt h em o d e lo ft m 3 + ，at h e o r e t i c a ls t u d yo ft h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h em i n i m u m e n e r g yg a p a n dt h el a s e r p u m p i n gr a t e i s p e r f o r m e d ，u n d e r t h ed i f f e r e n tp u m p i n g r a t e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ee n e r g yg a p a n dc o o l i n gp o w e ra n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee n e r g yg a pa n dh e a t - l i g h t c o n v e r t i n ge f f i c i e n c ya r ea n a l y z e d w ef i n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo p t i m a l h e a t - l i g h tc o n v e r t i n ge f f i c i e n c ya n d t h ep u m p i n gr a t e ，a n dt h u sp r o v et h ef e a s i b i l i t yo f l a s e rc o o l i n gi nt h u l i u m - d o p e dm a t e r i a l m e a n w h i l e ，t h ec h o i c eo fh o s tm a t e r i a li s d i s c u s s e d w e p r o p o s e at w o l e v e lm o d e lt oa n a l y z et h ea b s o r p t i o na n ds t i m u l a t e d - e m i s s i o n p r o c e s s e sb e t w e e nt h ey b 3 + 2 f 7 ，2g r o u n d s t a t em a n i f o l da n dt h e2 f s ae x c i t e d - s t a t e m a n i f o l d ，a n dd i s c u s ss e v e r a lp a r a m e t e r st h a ti n f l u e n c et h ec o o l i n gp o w e r , a n d f i n d s o m ew a y st oi m p r o v et h ec o o l i n gp o w e r t h ei n f l u e n c e so ft h ed o p e dc o n c e n t r a t i o n ， p u m p i n gp o w e ra n dt h e e f f e c t i v ep u m p s p o ta r e ao nl a s e rc o o l i n ge f f i c i e n c ya r e p a r t i c u l a r l ya n a l y z e d a tt h es b n et i m e ，w em a k ec o m p u t e rs i m u l a t i o na b o u tt h e c o o l i n gp r o c e s sa n do b t a i nt h et e m p e r a t u r ea saf u n c t i o no f t h ec o o l i n gt i m e ，i ti s s i m i l a rt ot h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s ot h i ss h o w st h a to u rm o d e li sr e a s o n a b l e k e y w o r d s ：l a s e rc o o l i n g ，a n t i s t o k e sf l u o r e s c e n c e ，p u m p i n gr a t e ，e n e r g yg a p ， c o o l i n gp o w e r , h e a t - l i g h tc o n v e r t i n ge f f i c i e n c y 重值垡硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 陈扬驳教授华东师范大学主席 毕志毅教授华东师范大学 杨晓华副教授华东师范大学 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：、贽估 牟 作者签名： 塾：! 竺三亡日期：兰堕! ! _ 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者签名：喷仫啤 导师签名： 日期i 尘堕量 研彩 日期：如旷占、 第一章固体材料激光冷却的实验研究及其最新进展 1 1 引言 早在1 9 2 9 年，p r i n g s h e i m 根据自发的反斯托克斯r a m a n 散射效应提出了固 体材料荧光制冷的思想( 1 】。他指出某些材料可通过吸收某一长波长的激光并辐 射短波长荧光，从而实现固体材料的激光冷却。但此思想一经提出就遭到了很 多人的反对，他们认为违背了热力学第二定律【2 3 】，因为根据常识人们都认为 物体会在激光的照射下升温。其中最具代表性的是v a v i l o v 认为反斯托克斯过程 是可逆的，因此违背热力学原理。p r i n g s h e i m 却认为反斯托克斯过程是将单色单 向的入射光转化为各向同性的宽带荧光，该过程是不可逆的。后来，著名物理 学家l a n d a u 对被照射物体的热力学行为进行了分析 4 】，利用玻色统计理论证明 了制冷时样品上熵的损失小于系统因激光照射而产生的熵的增加，此结果来源 于光的单色性和方向性的丧失，从而证明了反斯托克斯荧光制冷的可行性。 随着美国l o sa l a m o s 国家实验室的e p s t e i n 等人在1 9 9 5 年成功实现了掺杂 y b ”重金属氟化物玻璃z b l a n p ( z r f 4 b a f 2 l a f 3 一a i f 3 _ n a f p b f 2 ) 的激光冷却 ( o 3 k 的降温) 【5 】以来，有关固体材料的激光冷却研究取得了一系列重大的实 验进展。例如：1 9 9 7 年，m u n g a n 等人利用上述激光冷却技术实现了玻璃光纤 1 6 k 的降温 6 ；1 9 9 9 年，g o s n e l l 改进了实验装置，实现了y b ”：z b l a n p 玻 璃高达6 5 k 的温降 7 ；同年，f i n k e i b e n 等人首先在液氮温度处实现了g a a s 量 子阱的7 k 温降【8 】。2 0 0 0 年，h o y t 等人首次实现了掺t m 3 + ：z b l a n p 玻璃的反 斯托克斯荧光冷却【9 】，并在2 0 0 3 年实现了1 9 k 的温降 1 0 】。同年，f e r n a n d e z 等人在常温到7 7 k 范围内实现了掺y b f 3 的c n b z n 和b i g 玻璃的激光冷却【1 l 】。 最近，人们还实现了多种掺y b 3 + 基质材料( 如k g d ( w 0 4 k 晶体，y a g 晶体， k p b 2 c l 5 晶体，k y ( w 0 4 ) 2 晶体和y 2 s i 0 5 晶体等) 的激光冷却。 1 2 固体材料激光冷却的基本原理 当用激光与某些特殊材料相互作用时，材料将吸收激发光子，然后放出荧 光光子。如图1 所示，若固体材料吸收一个较低能量h v ( 长波长) 的激光光子， 然后辐射出一个较高能量 i ，( 短波长) 的荧光光子，则材料中的热能将转变成 为光能，并以荧光的形式带走。显然，在光子“吸收一辐射”的一次循环中被 荧光带走的热能为k b 五= h ( v ，- v ) 。如果这一光子“吸收辐射”的循环过程 发生n 次，则被荧光带走的能量为矗= n h ( v ，一y ) 。当n 足够大时，将导 致材料温度的可观降低，达到制冷的效果，这就是反斯托克斯荧光制冷的基本 原理。 j、 x f 小 、， 热平衡 图l 固体材料激光冷却的基本原理 1 3 激光冷却的条件及典型的激光冷却材料 反斯托克斯荧光制冷技术的核心是工作材料和激光波长的选择。对材料选 择的基本要求是：( 1 ) 材料具有发光中心，即具有在某种条件下能够发射荧光 光子的原子、分子、离子和缺陷。为此，人们通常在材料中掺杂一些稀土离子； ( 2 ) 材料中激发态到基态的跃迁应以辐射跃迁为主，相应的无辐射跃迁几率应 非常小，即荧光辐射跃迁的量子效率应很高，以保证荧光发热过程不会严重抵 消荧光辐射的制冷效应。此外，泵浦激发波长的选择要尽可能调谐到材料吸收 光谱的红边，以便发生有效的反斯托克斯荧光过程【1 8 】。 为了尽可能的产生制冷效果，我们可以通过加长光程来增加制冷介质对泵 浦光的吸收。一种方法是采用光纤状介质，并使荧光可以从光纤的表面射出， 减少荧光再吸收的几率；另种方法是采用f - p 腔的结构，特制冷介质置于腔 内，这样就可以增加泵浦光在介质内的往返次数，加大了制冷介质对泵浦光的 吸收。 冁 二二二 8 3 c m l 6 0 0 0c n r i l l ， r 螺荧光辐射 图2t m 3 + ：z b l a n p 的能级示意图 比较典型的两种荧光制冷材料是y b ”：z b l a n p 和t m 3 + ：z b l a n p 。这里仅 简单介绍一下最近报道的新材料t m 3 十：z b l a n p ，其能级结构如图2 所示。 由图2 可以看出用于激光制冷的工作能级为3 h 6 3 h 4 ，反映激光制冷的一 个重要参数就是制冷效率。在室温下制冷效率约为2 ，制冷效率定义为圪“， 可由下式给出： ，；等= 等= 等 式中p 。洲和p a b s 分别为冷却功率和吸收功率，v ( 兄) 和坤( 五力分别为泵浦光频 率( 泵浦光波长) 和平均荧光辐射频率( 荧光波长) 。从( 1 ) 式可看出泵清激 光的波长越长，制冷效率越高，但研究发现随着激光波长的增大，材料对泵浦 激光的吸收将会降低，所以选择合适的入射激光波长是非常重要的。 实验结果表明t m 3 + ：z b l a n p 材料的制冷效率是y b 3 十：z b l a n p 的两倍。 对于t m ”：z b l a n p ，其光谱特性如图3 所示 9 。 二、 曼 褂 娶 签 ，、 八 绞一_ ， + 一 j f 、 ：， t 蠡t ，71 一l 2 鸯 。漩长( 1 im ) 图3t m 3 + ：z b l a n p 的光谱特性 o 8 采 靶 由图3 可看出t m 3 + ：z b l a n p 材料的平均荧光辐射波长为1 8 2 岫，因此 只有当入射激光波长大于该波长时才能实现激光冷却，图3 中阴影部分就是激 光制冷的工作区域。该材料最终实现的温降与入射光功率之间的关系可由下式 来表示 等斗川砒- r q ) 吨耻地等l ， 式中为与材料有关的常数，p i 。为入射泵浦功率。( - b 为背景吸收系数，( ) 为共振吸收系数，t 1 。为量子效率。当样品温度的改变a t 1 5 0 k 时，两种材料制冷效率相当；而当温度再降 低时，y b ”：z b l a n 制冷效率更高。y a g 晶体的优点在于工艺上容易制作，缺 点是高折射率将导致荧光的再吸收，从而导致无辐射跃迁几率的增大。此外， 该小组利用波长为1 0 5 0 n m 的激光还观测到了5 掺y b 3 + ：y 2 s i 0 5 晶体的1 k 降 温。 1 5 7 掺y b 3 + 的k p b 2 c l 5 晶体 2 0 0 2 年9 月，m e n d i o r o z 等人首先研究了掺杂y b 3 + k p b 2 c l 5 晶体的激光冷却， 并利用光热偏转技术观测到了激光制冷现象【1 5 】。该材料的掺杂浓度为5 1 0 1 9 离子c m 3 ，室温下制冷效率达o - 2 。k p b 2 c l 5 材料具有可防潮、可与稀土离子 结合和高化学稳定性等优点。实验发现该材料的辐射荧光波长为9 8 6 5 n m ，最佳 的泵浦波长为1 0 1 0 n m 。 1 5 8g a a s g a l _ x a l x a s 量子阱材料 半导体材料激光制冷的基本原理稍有不同：首先入射泵浦光予与半导体材 料相互作用产生冷的自由载流予，然后在皮秒时间内自由电子与空穴通过声子 散射吸收材料晶格内部的热量，这样冷的自由载流子就转变为热的自由载流子， 最后热的载流子通过再结合形成能量更高的光子放出，这就实现了半导体材料 的激光冷却【2 3 】。1 9 9 7 年，g a u e k 等人从理论上分析了g a a s g a i n p 双层异质结 构的外部辐射量子效率，发现由于受无辐射跃迁几率和俄歇效应的影响，该材 料的量子效率仅能达到9 6 。他们推测如果能把该材料的量子效率提高到9 7 5 ，则可观察到净的制冷效应 2 4 】。1 9 9 9 年8 月，f i n k e i b e n 等人在 g a a s g a l x a l x a s 量子阱材料中首先实现了光学上转换，从而实现了半导体材料 的激光冷却。研究结果表明：当钛宝石激光的泵浦光强为4 w c m 2 时，材料温度 从7 7 k 降到了7 0 k ，即相对于起始温度下降了1 0 8 。 1 - 6 固体材料激光冷却实验装置 1 6 i 早期的激光冷却实验方案 1 9 9 5 年，e p s t e i n 等人首先采用共线光热偏转光谱技术成功观n q 掺杂y b 3 + 的z b l a n p 玻璃材料的激光冷却，并测量了材料样品的降2 5 1 ，实验装置如图 4 所示。在图4 中，钛宝石激光器输出的红外激光( 作为泵浦激光) 通过斩波器 后入射到样品上，激发样品辐射反斯托克斯荧光，实现样品的激光制冷。为了检 测样品是否被制冷及其降温的大小，实验中采用另一束反向传播的h e - n e 激光 束( 作为探测光束) 聚焦在样品的同样区域，并采用位置灵敏探测器( 1 dc c d 列阵) 测量探测光束的偏转角度。我们知道当泵浦激光引起材料样品加热或冷却 时，样品折射率随温度从泵浦光束中心开始沿径向变化，形成一个热透镜。这样 当另一束反向传播的探测光束通过样品的同加热和制冷区域时，由于样品的热 透镜效应，探测光束将发生偏转。在较小的温度范围内，样品折射率随温度线性 变化，探测光束的偏转角度正比于入射到样品的冷却( 加热) 功率。因此，共线 光热偏转光谱技术是分析小范围内样品温度变化( 比如用激光泵浦大的样品时) 的一种有效方法。 位 钛宝石激光器 一一一一：i i - i e - n e 激光器 图4 早期的激光冷却实验装置：光热偏转光谱技术 1 6 2 真空室中样品的激光冷却装置 为了减少样品与周围环境的热交换，可将样品放入真空室中进行激光冷却 的实验研究，典型的实验装置如图5 所示( 2 5 1 。在实验中，通常真空室的气压抽 到1 0 一t o r t ，样品光纤由两根交叉的硅光纤支撑。激光束经透镜耦合后进入光纤 激发样品，几分钟后旋转由电动机控制的光闸，以挡住入射激光束。由于此时 入射激光不再与样品作用，使得与样品光纤表面接触的微热电耦在测量时不会 受到泵浦光和样品荧光的影响，从而可用微热电耦产生的热电动势来精确地标 定样品温度。 3 0 c m 图5 真空室中固体材料激光冷却的实验装置 1 7 固体光学制冷器的设计以及激光制冷的应用 1 7 1 新型固体光学制冷器的设计 1 9 9 9 年1 2 月，e d w a r d s 等人提出了一种新颖的荧光青4 冷器方案 2 6 1 ，如图 1 l 所示。他们设计的制冷器是由一个可吸收辐射荧光的低热辐射涂层、制冷物 质、反射镜、真空室和冷指等构成。泵浦光由制冷器一侧镜面上的小孔射入制 冷介质，然后在两块反射镜形成的腔内来回振荡，以保证制冷材料对泵浦光的 多次吸收，制冷器内壁覆盖一层涂层，该涂层具有很低的热辐射率，它可以吸 收制冷时产生的荧光。最上面的圆柱形导体称为冷指，我们可以把需要制冷的 物体( 即热负载) 置于冷指，从而使得热负载获得制冷。 1 0 图6 新颖的固体荧光制冷器方案 1 7 2 辐射平衡激光 2 0 0 3 年5 月，m t m g a n 在反斯托克斯荧光制冷的基础上提出了辐射平衡激光 的概念 2 7 】。对于传统激光，泵浦光子和激光输出光子之间存在一个斯托克斯能 量移动，这就导致了发热，从而导致光束质量变差以及激活材料结构上和化学 上的变化，这些热效应限制了激光输出能量的提高。 激光输出 环境 图7 无热激光产生的基本原理 如果能够设法利用反斯托克斯荧光冷却来平衡斯托克斯加热，则无热激光 的产生将成为可能。其基本原理如图1 2 所示，荧光辐射带走的热量与受激辐射 形成激光产生的热量相互抵消。要实现上述辐射平衡激光过程，材料的能级必 须满足关系：以 砧 丑，这里，4 和五分别为荧光辐射波长、泵浦激光波 长和输出激光波长。 参考文献： 1 p r i n g s h e i m r z ，p h y s ，1 9 2 9 ，5 7 ( 8 ) ：7 3 9 7 4 7 2 v a v i l o vs ，j p h y s ( m o s c o w ) ，1 9 4 5 ，9 ( 1 ) ：6 8 7 1 3 v a v i l o vs ，j e h y s ( m o s c o w ) ，1 9 4 6 ，1 0 ( 4 ) ：4 9 9 - - 5 0 2 【4 】l a n d a ul ，j p l a y s ( m o s c o w ) ，1 9 4 6 ，1 0 ( 4 ) ：5 0 3 - - 5 0 6 5 】e p s t e i ni ，b u c h w a l dmi ，e d w a r d sbc ，e ta 1 n a t u r e ，1 9 9 5 ，3 7 7 ( 1 2 ) ：5 0 0 - - 5 0 2 【6 】m u n g a nce ，b u c h w a l dmi ，e d w a r d sbc ，e ta 1 p l a y s r e v l e t t ，1 9 9 7 ，7 8 ( 6 ) ： 1 0 3 0 1 0 3 3 【7 】o o s n e l ltr ，o p t l e t t ，1 9 9 9 ，2 4 ( 1 5 ) ：1 0 4 1 1 0 4 3 【8 】f i n k e i f j e ne ，p o t e m s k im ，w y d e rp ，e ta 1 a p p l p l a y s l e t t ，1 9 9 9 ，7 5 ( 9 ) ：1 2 5 8 1 2 6 0 【9 】h o y tcw ，s h e i k b a h a em ，e p s t e i nri ，e ta 1 p h y s r e v l e t t ，2 0 0 0 ，8 5 ( 1 7 ) ： 3 6 0 0 3 6 0 3 【1 0 】h o y tcw ，h a s s e l b e c kmp ，s h e i k - b a h a em ，e ta 1 j 。o p t s o c a m b ，2 0 0 3 ， 2 0 ( 5 ) ：1 0 6 6 1 0 7 4 【1 1 】f e r n a n d e zj ，m e n d i o r o za ，g a r c i a a j ，e ta l ，p h y s r e v b ，2 0 0 0 ，6 2 ( 5 ) ：3 2 1 3 - - 3 2 1 7 1 2 】秦伟平物理学进展，2 0 0 0 ，2 0 ( 2 ) ：9 3 1 6 7 【13 】m u r t a g hmt ，s i g e lj rgh ，f a j a r d ojc ，e ta l _ j n o n - c r y s t s o l i d s ，19 9 9 ( 2 5 3 ) ： 5 0 5 7 。 1 4 】衣永青，宁鼎，荆光明光纤光缆，2 0 0 3 ( 2 ) ：3 6 - - 3 8 。 1 5 】m e n d i o r o z a ，f e m a n d e zj ，v o d a m ，e t a l o p t l e t t ，2 0 0 2 ，2 7 ( 1 7 ) ：1 5 2 5 1 5 2 7 【1 6 】董俊，邓佩珍，徐军等，人工晶体学报，1 9 9 9 ，2 8 ( 2 ) ：1 4 0 一1 4 4 1 【1 7 】黄柏标，刘士文，任红文等固体电子学研究与进展，1 9 9 1 ，1 1 ( 3 ) ：2 3 0 2 3 4 【1 8 】l a m o u c h eg ，l a v a l l a r dp ，s u r i sr ，e t a l ，j a p p l p h y s ，1 9 9 8 ，8 4 ( 1 ) ：5 0 9 - - 5 1 6 【1 9 】l u o x ，e i s a m a n m d ，g o s n e l l t r o p t l e t t ，1 9 9 8 ，2 3 ( 8 ) ：6 3 9 - - 6 4 1 2 0 】r a y n e ra ，f r i e s em ej ，t r u s c o t ta g ，e ta 1 j m o d o p t ，2 0 0 1 ，4 8 ( 1 ) ：1 0 3 - - 1 1 4 2 1 】b o w m a n sr ，m u n g a nc e ，a p p l p h y s b ，2 0 0 0 ，7 1 ：8 0 7 8 1 1 2 2 】e p s t e i nri ，b r o w n ，e d w a r d sbc ，e ta l ，j a p p l p h y s ，2 0 0 1 ，9 0 ( 9 ) ：4 8 1 5 - - 4 8 1 9 2 3 】r i v l i n l a ，z a d e m o v s k y a a ，o p t c o m m ，1 9 9 7 ，1 3 9 ：2 1 9 - - 2 2 2 【2 4 】g a u c k h ，g f r o e r e r t h ，r e n n m j ，e l a l ，a p p l p h y s a ，1 9 9 7 ，6 4 ( 2 ) ：1 4 3 - - 1 4 7 2 5 】r a y n e ra ，”l a s e rc o o l i n go fs o l i d ”，p h dd i s s e r t a t i o n u n i v e r s i t yo f q u e e n s l a n da u s t r a l i a ，2 0 0 2 ：l 一1 6 7 ( 2 6 】e d w a r d sbc ，a n d e r s o nje ，e p s t e i nri ，e ta l ，j a p p l p h y s ，1 9 9 9 ，8 6 ( 1 1 ) ： 6 4 8 9 - - 6 4 9 3 2 7 】m u n g a nce ，j o p t s o c a m b ，2 0 0 3 ，2 0 ( 5 ) ：1 0 7 5 1 0 8 2 第二章固体材料激光冷却实验中的温度测量技术 2 1 引言 目前人们利用反斯托克斯荧光制冷技术可以得到比家用冰箱还要低的温度 1 6 ，该项技术具有全固体和全光学制冷特性，构成的激光制冷器具有体积小、 重量轻、无振动、无电磁辐射干扰、无污染、无噪声和无静电场或无静磁场影响 等的优点，因而在电脑芯片制冷、光电探测器制冷、传感器制冷、遥感探测器制 冷、光电子器件制冷、集成电路制冷和光通信中的集成光学器件制冷以及光信息 的低温存储与计算、集成光学与光通信、微电子工业、国防军事工业、航天航空 工业、计算机技术与工业、空间科学与技术以及生物医学等具有特殊要求的领域 中有着十分诱人的、而且非常广阔的应用前景。 反斯托克斯荧光制冷最大的优点就在于温度越高荧光制冷所能达到的制冷 效率就越高，因为人们应用制冷技术并不是一味地追求低温，而是寻找一个平衡 的温度就可以了 7 。例如，集成电路的冷却就是这样，只要温度不超过上限， 就满足要求对于类似于集成电路器件进行恒温的情况，荧光制冷就是理想的选 择因此，反斯托克斯荧光制冷的温度测量技术是很重要的一部分，目前常见的 测量方法有：光热偏转法，荧光光谱法，热电偶法，微热电偶法，m a c h z e h n d e r 干涉测量法，热照相机法。该技术还需不断完善，目前人们可以从理论上通过制 冷功率以及制冷材料的比热等参数来计算出温降，从而给温度测量技术提供一个 基准，这样可以验证各种温度测量技术的准确性。本章将就固体材料激光制冷实 验中温度测量的各种新方法、新原理作一系统综述。 2 。2 共线光热偏转光谱测量技术 这是一种定性检测样品是否被冷却的传统技术。由于材料的折射率随温度变 化，故当一束激光以一定的角度通过样品时，光束将被偏转一个与样品温度有关 的角度。在检测固体材料激光制冷的实验中，泵浦光可能导致材料的加热或冷却， 样品折射率随温度从泵浦光束中心开始沿径向变化，形成一个热透镜。这样当另 一束反向传播的探测光束通过样品的同一加热和制冷区域时，由于样品的热透镜 效应，探测光束将发生偏转。在较小的温度范围内，样品折射率随温度线性变化， 探测光束的偏转角度正比于入射到样品的冷却( 加热) 功率。因此，共线光热偏 转光谱技术是分析小范围内样品温度变化( 比如用激光泵浦大的样品时) 的一种 有效方法。目前实验中常用的光热偏转测试方法有两种：( 1 ) 横向光束偏转方法， 激励光束垂直于样品表面，探测光束平行于样品表面：( 2 ) 准直光束偏转方法， 激励光束和探测光束都垂直于样品表面。其中准直光束偏转方法只对透明介质适 用，在激光卷4 冷实验中就是采用该方法。 1 9 9 5 年，e p s t e i n 等首先采用共线光热偏转光谱技术成功观测了掺杂y b 3 + 的z b l a n p 玻璃材料的激光冷却【8 】。最近，r a y n e r 等采用共线光热偏转光谱技 术测量了y b 3 + ：z b l a n 光纤样品的降温，实验装置如图2 所示【9 】。 在图1 中，氩离子泵浦的钛宝石激光器输出的红外激光通过斩波器后入射到 样品上，激发样品后产生反斯托克斯荧光，实现样品的激光制冷。为了检测样品 是否被制冷及其降温的大小，实验中采用另束反向传播的h e - n e 激光束( 作 为探测光束) 聚焦在样品的同样区域，并采用大面积象限探测器来区分探测光束 的偏转情况。 假设材料的折射率随温度的升高而减小，当泵浦光加热样品时，形成一发 散透镜，探测光束偏离泵浦光束；而当样品温度降低时，探测光束向泵浦光束 图1 光热偏转光谱测量方法的实验装置 偏转，形成一个会聚透镜。通过对泵浦光束进行斩波调制后，可观察到探测光 束的偏转情况，从而判断样品是被加热还是被冷却。因此，利用材料折射率随 温度变化而导致的光束偏转情况可定性地判断材料是否被冷却。实验中将示波 器接到位置灵敏探测器上，可以同步地探测到偏转信号的强度。图2 是光热偏 转光谱测量的典型实验结果，分别表示样品在9 7 5 n m 和1 0 1 5 n m 激光激发下观 察到的两个波形相差1 8 0 0 的偏转信号。其中9 7 5 n m 曲线表示在9 7 5 n m 激光激发 下，由于样品加热效应观测到的探测光束偏折信号；而1 0 1 5 n m 曲线表示在 1 0 1 5 n m 激光激发下，因样品制冷效应观测到的探测光束反向偏折信号。虽然两 条曲线的振幅不同，但加热( 9 7 5 n m ) 和制冷( 1 0 1 5 n m ) 之间的位相关系非常 清楚，由此可定性判断利用何种波长激光泵浦时，才能实现材料的激光冷却。 图2 典型的光热偏转光谱信号 2 3 荧光光谱测量技术 虽然固体材料的荧光光谱与泵浦激光波长无关，但其荧光光谱强度却与样品 温度有关。因此，通过荧光光谱的观测也可测量材料温度的变化。 世l 糯 米 堑 黉 量 图39 5 0 h m 处荧光强度与材料温度关系的定标曲线 髫妒鲤辨够 通常荧光光谱法可分为两种方法：第一种方法是首先利用p e l i t e r 制冷器对 样品进行冷却，并测量不同温度下某一特定波长处的荧光强度，得到一条样品 温度与特定波长处荧光强度的定标曲线；然后对样品进行激光冷却，测得样品 激光冷却时的荧光强度，再根据已知的定标益线推算出样晶温度。z b l a n 光纤 材料温度的测量就是采用该方法【1 0 】：先测量不同温度下样品材料在9 5 0 n m 处的 荧光强度，得到温度与该波长处荧光强度关系的定标馥线，如图3 所示。在样 品激光冷却实验时通过测量到的9 5 0 n m 处的荧光强度，根据图3 所示的定标曲 线即可推算出样品制冷后的温度。实验时选用9 5 0 h m 处的荧光探测是因为 z b l a n 光纤材料在该波长处荧光最强，因此可以获得较高的分辨率。 一 。 i 1 l 1 氆) 一 “? 一 x h m 圈4 荧光光谱比较法的典型实验结果 另外一种方法是通过不阚温凌下荧光光谱的比较推出温度的变化 1 1 ，1 2 ，1 3 】，不妨称之为荧光光谱比较法。图4 ( a ) 为c n b z n 材料在低光强和高光 强下激发的荧光光谱，其中低光强的信号用作参考信号，高光强时的信号表示 样品的制冷效果。图5 ( b ) 为两种情况下荧光光谱线的差异。从图4 可以看出 高光强激发时长波处荧光强度增加，这说明激光冷却的存在，图4 中的阴影区 域正好反映了激光冷却的结果。因此，该方法测量温度的原理可简述如下：由 于处于基态和激发态能级的布局数在温度r 时满足b o l t z m a r m 分布，故荧光光谱 的强度分布与样品温度有如下的依赖关系： i = a e x p ( - a e k b t ) ， ( 1 ) 荧光光强比值法就是该原理的一种应用，考察某一特定温度下两个不同激发态所 发出的荧光强度的比值可以标定温度： r ：拿：b e x p ( 一l k e k 8 r ) i t 一 其中b 是与能级简并度、发射截面、荧光跃迁角频率有关的参数，e 为两激发态 之间的能级间距。 2 4 微热电偶测量技术 该方法是利用微热电偶与制冷材料的直接接触来探测温度的。材料的长度为 4 c m ，微热电偶的末端直径为1 2 um ，测量方法是通过导线与冷却材料接触时产 生的热电动势来标定温度。与上述介绍的荧光测量法相比，微热电偶法测量的是 光纤表面的温度，而不是测量样品内部温度。由于光纤表面比直接制冷的光纤中 心区域更接近于外部环境，光纤表面的冷却将可证实整个光纤的冷却。 为了减少样品与周围环境的热交换，可将样品放入真空室中进行激光冷却的实 验研究，典型的实验装置如图5 所示【1 4 】。为了保证热电偶具有较高的机械稳定 性和良好的传热性，微热电偶必须远离激光或荧光辐射。因此，只有在激光关 掉后才能采用微热电偶进行温度测量，在实验中通常利用放置与热电偶共线的 光闸来控制。为了在不损坏热电偶的情况下，使热电偶与光纤可重复接触，热 电偶和光闸固定在一个由步进马达控制的可转动轴上。光纤放在适当的位置， 仔细转动热电偶使两者接触良好，该位置由计算机控制与记录。然后，转动热 电偶使两者分离，并在真空室抽空和激光对准光纤之前避免任何可能的激光照 射。测量温度时计算机再通过步进马达使热电偶回到最佳位置。 图5 真空室中固体材料激光冷却的实验装置 通常，真空室的气压抽到1 3 3 1 0 。3 p a ，样品光纤由两根交叉的硅光纤支撑。 激光束经透镜耦合后进入光纤激发样品，几分钟后旋转由电动机控制的光闸，以 挡住入射激光束。由于此时入射激光不再与样品作用，使得与样品光纤表面接触 的微热电偶在测量时不会受到泵浦光和样品荧光的影响，从而可用微热电偶产生 的热电动势来精确地标定样品温度。 在实验中，首先在不同温度下作出一条样品温度与微热电偶产生热电动势间 的定标曲线，然后在激光冷却实验时通过读取热电动势的变化来确定温度的变 化。图6 是测量y b 3 + ：z b l a n 光纤温度时得到的热电动势随时间变化的曲线。 该曲线反映的是微热电偶与冷却光纤分开时逐渐达到周围环境温度的过程。实 验前定标得到微热电偶的灵敏度为一o 0 5 m v k 1 ，因此可以很容易从图6 中读出 温度的变化。 对上述信号进行指数拟合，光纤从冷却温度恢复到室温的过程可由下式来描 述： 1 e x p ( t r ) 式中，为激光制冷的时间( 通常为几分钟) ，光纤的初始温度为z k ，光纤冷却的 时间常数为f 。由于热电偶导线与光纤表面不可避免地存在一定热量交换，故关 于热电偶测量的理论模型还有待于进一步发展。由于通常在真空室上方的留有 观测窗e l ，故在热电偶测量时可同时使用荧光测温技术，以便对两种方法的测 量结果进行直接对比。 图6 微热电偶测量法的实验结果 2 5m a c h z e h n d e r 干涉仪测量技术 2 0 0 3 年，h o y t 等首先采用m a c h - z e h n d e r 外差干涉仪测量了激光制冷t m 3 + ： z b l a n p 材料的温度，实验装置如图7 所示 1 5 。图中的o p o 激光束用于泵浦 掺杂y b 3 + 的z b l a n p 玻璃，以实现材料的激光冷却；h e n e 激光束通过声光调 制器( a o m ) 分成二柬，其中一束通过样品，另一束不通过样品，构成一 m a c h z e h n d e r 干涉仪，并采用外差探测技术测量样品的温度变化。其测量原理 为：设通过样品和未通过样品的两束光的光程差为占= 以一工，三为样品长度。 显然，当样品的温度改变时，样品的长度和折射率也将被改变，故由光程差方 程两边对t 求导得到： 面d 8 = l 等+ 声。- 1 ) l 式中芦= ( 1 l ) d l d t 为材料的热膨胀系数。如果在实验中已知t m 3 + ：z b l a n p 的热膨胀系数卢= ( 一6 6 0 8 ) 1 0 。6 k 1 ，则利用m a c h - z e h n d e r 干涉仪的外差探 测技术可获得相位差的测量，从而可从上式推出温度的改变。实验结果表明此 方法可用于测量比较大的温差。 图7m a c h - z e h n d e r 外差干涉仪测量法的实验装置 2 6 热电偶测量技术 热电偶电极由两根不同导体材质组成，当测量端与参考端存在温差时，就 会产生热电动势，热电动势包括由t h o m s o n 效应产生的t h o m s o n 电动势和由 p e l t i e r 效应产生的p e l t i e r 电动势，其产生的条件是在材料内存在温度梯度和电 子数密度的梯度，因此，工作仪表便可显示出热电动势所对应的温度值。为了 分析热电偶测量温度的具体细节过程，人们提出了一种模型 1 4 ，用于描述热传 导和光纤与环境之间的辐射耦合，包括光纤和热电偶之间的耦合、表面不纯造 成的加热等因素。 图8 所示的分别是热电偶、光纤中心、光纤与热电偶的接触点温度随时间 的变化曲线 1 4 】。该曲线是根据上述理论模型得到的。由图可以看出光纤温度与 接触点的温度基本一样以致图中很难区别出来，这就验证了热电偶测量温度的 准确性。从图中还看出光纤温度变化量与热电偶温度变化量之比为3 5 ，因此用 该方法测量光纤温度时还需要考虑该比值系数。 髓 媚 掣 1 垂 图8 热电偶和光纤中心、光纤与热电偶的接触点温度随时间的变化 图9 不同入射激光功率下光纤冷却的热电偶测量结果 图9 所示的是不同入射激光功率下采用热电偶测量冷却光纤的实验结果。 图中热电动势由强到弱依次代表二极管激光器入射功率为1 ，0 5 ，0 2 5 w 时的结 若一张撩碰锑形 果。与荧光光谱法比较，热电偶测量噪声要小，并且噪声不会由于温差小而增 大，这就显示了热电偶测量微小温度变化的优点。 由图9 可以看出，当入射光功率为1 w 时，通过其热电动势可以看出1 k 的 温降，根据上面的系