專利名稱：一種反斯托克斯熒光制冷方法
一種反斯托克斯熒光制冷方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于激光制冷技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用綠光半導(dǎo)體激光器(LD)誘導(dǎo)稀土鉺離子(Er3+)摻雜的玻璃材料進(jìn)行兩種反斯托克斯熒光并行制冷的方法。
背景技術(shù)：
反斯托克斯熒光制冷，是利用激光激發(fā)樣品，通過(guò)發(fā)射反斯托克斯熒光帶走分子振動(dòng)熱能的一種光學(xué)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(huán)制冷相比，激光制冷具有全固體、全光型的特點(diǎn)，構(gòu)成的激光制冷器具有體積小、重量輕、無(wú)振動(dòng)、無(wú)污染、無(wú)噪聲、無(wú)電磁輻射和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、航天衛(wèi)星、微電子、低溫物理與工程以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
目前，國(guó)際上激光制冷研究的焦點(diǎn)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(zhì)(玻璃、晶體和光纖)和半導(dǎo)體材料。其中，由于稀土離子具有豐富的能級(jí)結(jié)構(gòu)和高的熒光輻射躍遷量子效率，各能級(jí)在基質(zhì)材料中可產(chǎn)生斯塔克(Mark)劈裂，稀土離子f_f躍遷發(fā)射和吸收波長(zhǎng)范圍窄，并且發(fā)射和吸收躍遷波長(zhǎng)受材料的影響不大，使得稀土摻雜固體材料在實(shí)現(xiàn)激光制冷方面顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)，備受科研人員的廣泛關(guān)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和 Tm3+，其均是利用第一激發(fā)態(tài)能級(jí)的Mark劈裂子能級(jí)到基態(tài)能級(jí)的發(fā)射實(shí)現(xiàn)反斯托克斯熒光制冷的，即傳統(tǒng)方式的制冷機(jī)制。Er3+是近年來(lái)被廣泛關(guān)注的另一個(gè)重要的激光制冷中心，利用Er3+進(jìn)行激光制冷主要包括兩種途徑的制冷一是傳統(tǒng)方式的制冷；二是基于上轉(zhuǎn)換機(jī)制的制冷——利用Er3+基態(tài)4115/2和激發(fā)態(tài)419/2和2H9/2能級(jí)在波長(zhǎng)為860nm左右光作用下的上轉(zhuǎn)換發(fā)射實(shí)現(xiàn)。其中利用傳統(tǒng)方式的制冷比上轉(zhuǎn)換機(jī)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(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但傳統(tǒng)方式的制冷機(jī)制存在以下缺點(diǎn)
(1)可選擇的基質(zhì)材料的種類有限。為了滿足傳統(tǒng)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(zhì)，目前報(bào)導(dǎo)的基質(zhì)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(fù)雜且需要在一定的保護(hù)氣氛下進(jìn)行，這無(wú)疑大大增加了制備工藝的復(fù)雜性和產(chǎn)品的制造成本。另外，與氧化物材料相比，鹵化物材料的化學(xué)穩(wěn)定性較差，并且鹵化物體系形成玻璃的范圍較窄，因此對(duì)于特定體系的鹵化物玻璃，很難通過(guò)改變基質(zhì)組分調(diào)整Er3+的光學(xué)躍遷性質(zhì)，這也就限制了激光制冷用Er3+摻雜材料的可選擇范圍。
(2)對(duì)于傳統(tǒng)方式的激光制冷，其采用的第一激發(fā)態(tài)能級(jí)Mark劈裂的多重態(tài)子能級(jí)向基態(tài)能級(jí)^ark劈裂的多重態(tài)子能級(jí)的躍遷幾率差別不大，反斯托克斯發(fā)光效率較低，因此，不利于實(shí)現(xiàn)高效率的制冷。
(3)目前用于激光制冷的稀土離子的能級(jí)間距局限于eooo-iosoocnr1之間，這就要求泵浦光為紅外光，而基質(zhì)材料中的缺陷或微量雜質(zhì)對(duì)泵浦紅外激光的吸收將會(huì)產(chǎn)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(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明的目的是在充分利用商用綠光半導(dǎo)體LD 的基礎(chǔ)上，提供一種可擴(kuò)展激光制冷用Er3+摻雜材料的選擇范圍、易實(shí)現(xiàn)高效率的制冷的反斯托克斯熒光制冷方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)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(guò)程選擇與鉺離子Er3+的基態(tài)4115/2能級(jí)的高M(jìn)ark能級(jí)和激發(fā)態(tài)4Sv2 能級(jí)的低^ark能級(jí)差相匹配的綠色激光激發(fā)樣品，使激發(fā)態(tài)4Sv2能級(jí)的低Mark能級(jí)布居；
B、吸收聲子的熱弛豫過(guò)程I 布居到激發(fā)態(tài)4Sv2能級(jí)低Mark能級(jí)的一部分電子通過(guò)吸收聲子熱弛豫的方式在激發(fā)態(tài)4Sv2能級(jí)的各Mark子能級(jí)上進(jìn)行熱分布；
C、反斯托克斯熒光發(fā)射制冷過(guò)程I 分布到激發(fā)態(tài)4Sv2能級(jí)的高M(jìn)ark能級(jí)的電子向基態(tài)％5/2能級(jí)躍遷，產(chǎn)生反斯托克斯熒光，從而實(shí)現(xiàn)單一激發(fā)態(tài)能級(jí)Mark劈裂子能級(jí)的激光制冷，即傳統(tǒng)方式的激光制冷；
D、吸收聲子的熱弛豫過(guò)程II 布居在激發(fā)態(tài)4Sv2能級(jí)上的另一部分電子通過(guò)吸收聲子熱激發(fā)到激發(fā)態(tài)咕11/2能級(jí)；
E、反斯托克斯熒光發(fā)射制冷過(guò)程II 激發(fā)態(tài)2Hiv2能級(jí)的各Mark子能級(jí)上的電子以輻射躍遷的方式回到基態(tài)％5/2能級(jí)，產(chǎn)生反斯托克斯熒光，這些熒光光子均能帶走基質(zhì)熱量，實(shí)現(xiàn)不同激發(fā)態(tài)能級(jí)間的激光制冷；
F、熱平衡過(guò)程躍遷回到基態(tài)4I1572能級(jí)低Mark子能級(jí)的電子通過(guò)熱分布實(shí)現(xiàn)其高M(jìn)ark子能級(jí)的布居，進(jìn)而重復(fù)A、B、C和A、D、E兩種反斯托克斯熒光并行制冷的過(guò)程， 實(shí)現(xiàn)反斯托克斯熒光循環(huán)制冷。
本發(fā)明提出的反斯托克斯熒光制冷方法具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、本發(fā)明采用商用高效率的綠光半導(dǎo)體LD泵浦，有望研制出制冷效率更高的全固體激光制冷器，從而實(shí)現(xiàn)器件的小型化，提高其可靠性，推進(jìn)反斯托克斯熒光制冷器的實(shí)用化進(jìn)程。
2、本發(fā)明的鉺離子Er3+的激發(fā)態(tài)4Sv2和丸1/2之間具有較大的能級(jí)間距，其間距約 750CHT1，可以拓寬基質(zhì)材料的選擇范圍。因此，不必再局限于具有很低聲子能量的材料(如鹵化物等)，而可以選用氧化物或氟氧化物玻璃等對(duì)制備條件沒有嚴(yán)格要求的材料作基質(zhì)， 簡(jiǎn)化材料的制備工藝，降低制作成本。另外，利用具有較高聲子能量的材料作基質(zhì)，更容易實(shí)現(xiàn)2H1172能級(jí)的布居，在有效地平衡各能級(jí)間的無(wú)輻射躍遷帶來(lái)的副效應(yīng)后，利用2H1172能級(jí)的反斯托克斯熒光發(fā)射更有利于激光制冷的實(shí)現(xiàn)。
3、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)兩種反斯托克斯熒光并行制冷。采用合適波長(zhǎng)的激光泵浦實(shí)現(xiàn)激發(fā)態(tài)4Sv2低Mark能級(jí)的布居后，通過(guò)聲子吸收熱激發(fā)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激發(fā)態(tài)4Sv2高M(jìn)ark 能級(jí)和咕11/2能級(jí)的布居，從而得到兩種反斯托克斯熒光發(fā)射。這兩種反斯托克斯熒光對(duì)制冷都有貢獻(xiàn)，但值得注意的是，2H11/2 —基態(tài)4115/2實(shí)現(xiàn)的反斯托克斯熒光與泵浦光的能量差比激發(fā)態(tài)4S372高M(jìn)ark能級(jí)一基態(tài)4I1572實(shí)現(xiàn)的反斯托克斯熒光與泵浦光的能量差大很多， 并且在一般材料中2H1172具有比激發(fā)態(tài)4S372到基態(tài)更大的躍遷幾率，因此有利于實(shí)現(xiàn)更高的制冷效率。
4、本發(fā)明使用的玻璃材料具有比晶體相對(duì)更小的折射率，熒光局限較弱，無(wú)輻射弛豫發(fā)生的幾率較小，并且玻璃材料的制備更容易，因此，采用玻璃材料作為激光制冷的基質(zhì)材料，有助于降低制冷器的制造成本。


本發(fā)明僅有附圖1張，其中
圖1為兩種反斯托克斯熒光并行制冷循環(huán)過(guò)程示意圖。
圖中1、泵浦過(guò)程，2、吸收聲子的熱弛豫過(guò)程I，3、反斯托克斯熒光發(fā)射制冷過(guò)程 1，4、熱平衡過(guò)程，5、吸收聲子的熱弛豫過(guò)程11，6、反斯托克斯熒光發(fā)射制冷過(guò)程II。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地描述。如圖1所示，一種反斯托克斯熒光制冷方法，包括以下步驟
A、泵浦過(guò)程1 選擇與鉺離子Er3+的基態(tài)4115/2能級(jí)的高M(jìn)ark能級(jí)和激發(fā)態(tài)4Sv2 能級(jí)的低^ark能級(jí)差相匹配的綠色激光激發(fā)樣品，使激發(fā)態(tài)4Sv2能級(jí)的低Mark能級(jí)布居；
B、吸收聲子的熱弛豫過(guò)程12 布居到激發(fā)態(tài)4Sv2能級(jí)低Mark能級(jí)的一部分電子通過(guò)吸收聲子熱弛豫的方式在激發(fā)態(tài)4Sv2能級(jí)的各Mark子能級(jí)上進(jìn)行熱分布；
C、反斯托克斯熒光發(fā)射制冷過(guò)程13 分布到激發(fā)態(tài)4Sv2能級(jí)的高M(jìn)ark能級(jí)的電子向基態(tài)％5/2能級(jí)躍遷，產(chǎn)生反斯托克斯熒光，從而實(shí)現(xiàn)單一激發(fā)態(tài)能級(jí)Mark劈裂子能級(jí)的激光制冷，即傳統(tǒng)方式的激光制冷；
D、吸收聲子的熱弛豫過(guò)程115 布居在激發(fā)態(tài)4Sv2能級(jí)上的另一部分電子通過(guò)吸收聲子熱激發(fā)到激發(fā)態(tài)咕11/2能級(jí)；
E、反斯托克斯熒光發(fā)射制冷過(guò)程116 激發(fā)態(tài)咕11/2能級(jí)的各Mark子能級(jí)上的電子以輻射躍遷的方式回到基態(tài)％5/2能級(jí)，產(chǎn)生反斯托克斯熒光，這些熒光光子均能帶走基質(zhì)熱量，實(shí)現(xiàn)不同激發(fā)態(tài)能級(jí)間的激光制冷；
F、熱平衡過(guò)程4 躍遷回到基態(tài)4I1572能級(jí)低Mark子能級(jí)的電子通過(guò)熱分布實(shí)現(xiàn)其高M(jìn)ark子能級(jí)的布居，進(jìn)而重復(fù)A、B、C和A、D、E兩種反斯托克斯熒光并行制冷的過(guò)程， 實(shí)現(xiàn)反斯托克斯熒光循環(huán)制冷。
權(quán)利要求
1. 一種反斯托克斯熒光制冷方法，其特征在于包括以下步驟A、泵浦過(guò)程(1)選擇與鉺離子Er3+的基態(tài)4115/2能級(jí)的高M(jìn)ark能級(jí)和激發(fā)態(tài)4Sv2能級(jí)的低Mark能級(jí)差相匹配的綠色激光激發(fā)樣品，使激發(fā)態(tài)4Sv2能級(jí)的低Mark能級(jí)布居；B、吸收聲子的熱弛豫過(guò)程IO)布居到激發(fā)態(tài)4Sv2能級(jí)低Mark能級(jí)的一部分電子通過(guò)吸收聲子熱弛豫的方式在激發(fā)態(tài)4Sv2能級(jí)的各Mark子能級(jí)上進(jìn)行熱分布；C、反斯托克斯熒光發(fā)射制冷過(guò)程IC3)分布到激發(fā)態(tài)4Sv2能級(jí)的高M(jìn)ark能級(jí)的電子向基態(tài)4115/2能級(jí)躍遷，產(chǎn)生反斯托克斯熒光，從而實(shí)現(xiàn)單一激發(fā)態(tài)能級(jí)^ark劈裂子能級(jí)的激光制冷，即傳統(tǒng)方式的激光制冷；D、吸收聲子的熱弛豫過(guò)程II(5)布居在激發(fā)態(tài)4Sv2能級(jí)上的另一部分電子通過(guò)吸收聲子熱激發(fā)到激發(fā)態(tài)2Hiv2能級(jí)；E、反斯托克斯熒光發(fā)射制冷過(guò)程II(6)激發(fā)態(tài)2Hiv2能級(jí)的各Mark子能級(jí)上的電子以輻射躍遷的方式回到基態(tài)4115/2能級(jí)，產(chǎn)生反斯托克斯熒光，這些熒光光子均能帶走基質(zhì)熱量，實(shí)現(xiàn)不同激發(fā)態(tài)能級(jí)間的激光制冷；F、熱平衡過(guò)程(4)躍遷回到基態(tài)4I1572能級(jí)低Mark子能級(jí)的電子通過(guò)熱分布實(shí)現(xiàn)其高M(jìn)ark子能級(jí)的布居，進(jìn)而重復(fù)A、B、C和A、D、E兩種反斯托克斯熒光并行制冷的過(guò)程， 實(shí)現(xiàn)反斯托克斯熒光循環(huán)制冷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種反斯托克斯熒光制冷方法，以Er3+作為激光制冷中心，利用綠光半導(dǎo)體LD泵浦Er3+的4S3/2能級(jí)，通過(guò)4S3/2和2H11/2兩個(gè)激發(fā)態(tài)能級(jí)到基態(tài)4I15/2能級(jí)的躍遷實(shí)現(xiàn)兩種反斯托克斯熒光并行制冷。本發(fā)明具有以下優(yōu)勢(shì)有望研制出制冷效率更高的全固體激光制冷器；Er3+的4S3/2和2H11/2之間具有較大的能級(jí)間距，可以拓寬基質(zhì)材料的選擇范圍，而不必再局限于具有很低聲子能量的材料，簡(jiǎn)化制備工藝，降低制作成本；采用合適波長(zhǎng)的激光泵浦實(shí)現(xiàn)4S3/2低斯塔克能級(jí)的布居后，通過(guò)聲子吸收熱激發(fā)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)4S3/2高Stark能級(jí)和2H11/2能級(jí)的布居，得到兩種反斯托克斯熒光發(fā)射。
文檔編號(hào)F25B23/00GK102494434SQ20111038715
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者仲海洋, 孫佳石, 張金蘇, 李香萍, 程麗紅, 陳寶玖 申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)