[發明專利]一種反斯托克斯熒光制冷方法

無效

• 申請號: 201110387157.0
• 申請日: 2011-11-28
• 公開（公告）號: CN102494434A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 李香萍;陳寶玖;張金蘇;程麗紅;孫佳石;仲海洋
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: F25B23/00
• 分類號: F25B23/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李洪福

技術領域

本發明屬于激光制冷技術領域，涉及一種利用綠光半導體激光器(LD)誘導稀土鉺離子(Er³⁺)摻雜的玻璃材料進行兩種反斯托克斯熒光并行制冷的方法。

背景技術

反斯托克斯熒光制冷，是利用激光激發樣品，通過發射反斯托克斯熒光帶走分子振動熱能的一種光學制冷方式。由于入射泵浦光通常采用的是單色性很好的激光，故反斯托克斯熒光制冷也稱為激光制冷。與氣體壓縮制冷和液體循環制冷相比，激光制冷具有全固體、全光型的特點，構成的激光制冷器具有體積小、重量輕、無振動、無污染、無噪聲、無電磁輻射和可靠性高等優點，在軍事、航天衛星、微電子、低溫物理與工程以及生物醫學等領域具有廣闊的應用前景。

目前，國際上激光制冷研究的焦點主要集中在稀土摻雜固體材料的激光制冷，常用的固體材料主要包括稀土摻雜透明介質(玻璃、晶體和光纖)和半導體材料。其中，由于稀土離子具有豐富的能級結構和高的熒光輻射躍遷量子效率，各能級在基質材料中可產生斯塔克(Stark)劈裂，稀土離子f-f躍遷發射和吸收波長范圍窄，并且發射和吸收躍遷波長受材料的影響不大，使得稀土摻雜固體材料在實現激光制冷方面顯示出明顯的優勢，備受科研人員的廣泛關注。

在稀土摻雜固體材料激光制冷研究中采用最多的制冷中心是稀土離子Yb³⁺和Tm³⁺，其均是利用第一激發態能級的Stark劈裂子能級到基態能級的發射實現反斯托克斯熒光制冷的，即傳統方式的制冷機制。Er³⁺是近年來被廣泛關注的另一個重要的激光制冷中心，利用Er³⁺進行激光制冷主要包括兩種途徑的制冷：一是傳統方式的制冷；二是基于上轉換機制的制冷——利用Er³⁺基態⁴I_15/2和激發態⁴I_9/2和²H_9/2能級在波長為860nm左右光作用下的上轉換發射實現。其中利用傳統方式的制冷比上轉換機制的制冷更有效。

盡管目前稀土摻雜固體材料激光制冷的研究已經取得了很大的進展，但傳統方式的制冷機制存在以下缺點：

(1)可選擇的基質材料的種類有限。為了滿足傳統方式激光制冷的條件，必須采用具有極高純度和低聲子能量的材料作基質，目前報導的基質材料主要局限于鹵化物玻璃或晶體。制備這些材料的方法大都比較復雜且需要在一定的保護氣氛下進行，這無疑大大增加了制備工藝的復雜性和產品的制造成本。另外，與氧化物材料相比，鹵化物材料的化學穩定性較差，并且鹵化物體系形成玻璃的范圍較窄，因此對于特定體系的鹵化物玻璃，很難通過改變基質組分調整Er³⁺的光學躍遷性質，這也就限制了激光制冷用Er³⁺摻雜材料的可選擇范圍。

(2)對于傳統方式的激光制冷，其采用的第一激發態能級Stark劈裂的多重態子能級向基態能級Stark劈裂的多重態子能級的躍遷幾率差別不大，反斯托克斯發光效率較低，因此，不利于實現高效率的制冷。

(3)目前用于激光制冷的稀土離子的能級間距局限于6000-10500cm^-1之間，這就要求泵浦光為紅外光，而基質材料中的缺陷或微量雜質對泵浦紅外激光的吸收將會產生寄生熱，致使材料溫度升高，因此不利于制冷效率的提高。

發明內容

針對現有技術存在的上述問題，本發明的目的是在充分利用商用綠光半導體LD的基礎上，提供一種可擴展激光制冷用Er³⁺摻雜材料的選擇范圍、易實現高效率的制冷的反斯托克斯熒光制冷方法。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：一種反斯托克斯熒光制冷方法，包括以下步驟：

A、泵浦過程：選擇與鉺離子Er³⁺的基態⁴I_15/2能級的高Stark能級和激發態⁴S_3/2能級的低Stark能級差相匹配的綠色激光激發樣品，使激發態⁴S_3/2能級的低Stark能級布居；

B、吸收聲子的熱弛豫過程I：布居到激發態⁴S_3/2能級低Stark能級的一部分電子通過吸收聲子熱弛豫的方式在激發態⁴S_3/2能級的各Stark子能級上進行熱分布；