固体材料反斯托克斯荧光制冷的理论研究及其最新进展
磁性材料、超导材料和器件
TG4852006010035激光切割金属厚板新技术/谢小柱，李力钧，张屹，刘继常，鄢锉(湖南大学激光研究所)//激光技术.―2005,29(3).―251～254.介绍了激光切割金属厚板的过程，分析了存在的主要问题及产生的原因，最后从激光器、聚焦光学系统以及辅助气流的改进等方面介绍了一些激光切割厚板的新技术，为进一步的研究和工业化应用提供了技术参考。
图5表0参24TG6652006010036飞秒激光加工过程中光学参数对加工的影响/于海娟，李港，陈檬，张丙元(北京工业大学激光工程研究院)//激光技术.―2005,29(3).―304～307.分析了国际上飞秒激光同材料相互作用的实验研究，介绍了飞秒激光加工过程中，各个光参数对加工质量和加工尺寸的影响，针对光参数在飞秒激光加工过程中产生的影响做出了分析。
图8表0参13TM22，O411.32006010037一种新型人工异向介质结构的设计和仿真/皇甫江涛，冉立新，陈抗生(浙江大学信息与电子工程学系)//浙江大学学报（工学版）.―2005,39(4).―584～587.根据异向介质可以由具有等效负磁导率的开路环形谐振器阵列和具有等效负介电常数的细金属导线阵列构成的基本原理，提出了一种新型的、相互对等嵌入的开路环形谐振器的结构，与传统的开路环谐振器相比，新结构中内环和外环相互对称，具有更好的电流分布形态和电磁特性。
采用这种新型开路环形谐振器阵列和细金属导线阵列组合，得到了一种新型的人工异向介质，并同时给出了完整的设计和仿真过程。
通过对上述介质的功率传输特性和“负”Snell折射特性的仿真，表明该结构在特定的频段内表现出了明显的“异向”性质。
图6表0参6TM22+1，TM2862006010038复合层状Bi7Ti4NbO21铁电陶瓷的结构与介电和压电性能研究/张丽娜，赵苏串，郑嘹赢，李国荣，殷庆瑞(中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室)//物理学报.―2005,54(5).―2346～2351.制备了Bi7Ti4NbO21，Bi4Ti3O12及Nb掺杂Bi4Ti3O12（Nb-Bi4Ti3O12）层状结构铁电陶瓷材料。
四波混频波形.
第1章引言碰撞问题是物理学中常见的问题，早在1639年就有物理学家开始提出有关碰撞的问题，之后的几百年中无数科研工作着持续对碰撞问题进行探索，提出不同的假设，运用实验演示验证自己的理论，研究碰撞问题的规律和特点等。
当时的碰撞问题还只局限于宏观物体的碰撞，到近代物理研究中碰撞问题的研究已经深入到微观领域。
物质是由分子构成，碰撞效应能够对对物质的结构的检测和分析，用于研究激光制冷。
对于碰撞截面的探究有助于我们了解碰撞系统下能量的再分布，各个能级之间的跃迁几率等等。
它不仅仅在物理方向具有重要作用，而且在其它领域都具有广泛的应用，包括，天文学、等离子体学、原子物理学化学、材料和气体电子学等领域。
关于碰撞的研究与之有联系的种类相当宽泛：原子间碰撞、Au+Au碰撞等。
由于碰撞效应能够为许多实际生产应用部门都会需要相关数据，促进各个领域的飞速发展，因此碰撞效应[1-2]的研究具有重要的研究价值四波混频是一种先进的光谱学技术，随着激光技术的不断发展使得四波混频技术的应用有的巨大的提高，比以往的技术相比拥有许多技术优势，因而四波混频技术是一种常用技术手段。
本文中我们就应用四波混频来研究多普勒系统中的碰撞效应。
1.1 碰撞效应近代物理学中无数科研工作着对微观领域的碰撞问题进行探索，发现碰撞的的特点之一就是粒子之间发生碰撞之后，辐射频率发生改变。
一个原子或者分子和其它物质产生碰撞时,能导致其固有辐射频率的改变,这个现象就叫做碰撞效应。
宇宙中的物质都是由原子分子构成的，碰撞效应的理论可以用来分析原子或分子内部的结构，为众多学科的研究和发展奠定了理论基础，提供了实验方法，具有非常重要的研究价值。
关于碰撞问题的研究包括对碰撞截面的研究，对谱线线性的研究，对谱线展宽的研究等等。
碰撞效应在物理化学甚至其它领域都具有广泛的应用，包括，天文学[3]、等离子体学[4-6]、原子物理学化学[7-9]、材料和气体电子学[10-14]等领域。
反斯托克斯荧光制冷的发展回顾和研究现状
反斯托克斯荧光制冷的发展回顾和研究现状张存泉 徐 烈(上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海,200030)摘要:从1995年Epstein 实现了光与热制冷效应的历史性突破以来,由于该制冷方法具有全光性的独特优点,同时制备的制冷器具有无振动和噪声、无电磁辐射、体积小、重量轻、可靠性高等特点,因此反斯托克斯荧光制冷器在军事、航天卫星、微电子、低温物理与工程等领域具有非常诱人的应用前景。
文中首先介绍了反斯托克斯荧光制冷的物理原理,其次着重介绍了该制冷方式的发展历史和研究现状,最后对这一研究作了展望。
关键词:反斯托克斯荧光制冷 激光制冷 制冷原理1 反斯托克斯荧光制冷原理的介绍反斯托克斯荧光制冷因其光源为具有单色性的激光,故通常也称之为激光制冷。
我们通过对非相干掺杂固体的具体分析很容易理解激光制冷,并假定其具有非常特殊而简单的能图1 固体中离子的能级结构与激光制冷过程中的能量循环级结构(如图1所示):基态1、2(1、2基态多重态)和激发态3、4(3、4为激发态多重态)。
为了阐述方便,假定基态多重态1、2和激发态多重态3、4为激发态之间分别只具有几倍的k B T (k B 为Bo ltzmann 常数、T 为激光制冷温度)的能量差别,这样的能量不足以造成粒子跃迁,并且多重态当平衡态受到扰动后恢复平衡的时间是相当短的(通常为几个纳秒),这一点已经得到证明[1]。
同时,基态与激发态之间的能量空间通常比多重态能量空间大一个以上的数量级[2],根据能量劈裂原理,这两个能级之间的多声子弛豫速率非常小,其布局再分布时间就相对较长,辐射跃迁的量子效率接近100%,因此高能量的激发态只有通过向低能级的基态发射声子而释放能量,即为反斯托克斯荧光制冷效应;而多重态能级之间的布局再分布速率非常快,布局再分布的时间同荧光发射寿命相比完全可以忽略。
这样,用一束波长大的光激发即材料吸收声子,并通过发射波长短的光即材料发射声子,二者之间能量的差异需要基质的热振动能量来弥补,就得到制冷效应。
斯托克斯位移是指荧光光谱较相应的吸收光谱红移
上转换发光对于上转换发光（Upconversion emission）而言，它是指处于固体晶格中的稀土离子吸收两个或者两个以上的低频率的光子，然后在释放出一个高频率光子的过程。
其中吸收的单个光子的能力要比释放出来的单个光子的能量低烧结工艺1 工艺流程图如下：配料--混合磨细--预烧--二次磨细--造粒--成型--排塑--烧结成瓷--外形加工--被电极--高压极化--老化测试。
一、配料：进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料，注意少量的添加剂要放在大料的中间。
二、混合磨细：目的是将各种原料混匀磨细，为预烧进行完全的固相反应准备条件.一般采取干磨或湿磨的方法。
小批量可采取干磨，大批量可采取搅拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。
三、预烧：目的是在高温下，各原料进行固相反应，合成压电陶瓷.此道工序很重要。
会直接影响烧结条件及最终产品的性能。
四、二次细磨：目的是将预烧过的压电陶瓷粉末再细振混匀磨细，为成瓷均匀性能一致打好基础。
五、造粒：目的是使粉料形成高密度的流动性好的颗粒。
方法可以手工进行但效率较低，高效的方法是采用喷雾造粒。
此过程要加入粘合剂。
六、成型：目的是将制好粒的料压结成所要求的预制尺寸的毛坯。
七、排塑：目的是将制粒时加入的粘合剂从毛坯中除掉。
八、烧结成瓷：将毛坯在高温下密封烧结成瓷。
此环节相当重要。
九、外形加工：将烧好的制品磨加工到所需要的成品尺寸。
十、被电极：在要求的陶瓷表面设置上导电电极。
一般方法有银层烧渗、化学沉积和真空镀膜。
十一、高压极化：使陶瓷内部电畴定向排列，从而使陶瓷具有压电性能。
十二、老化测试：陶瓷性能稳定后检测各项指标，看是否达到了预期的性能要求。
压电陶瓷的制造特点是在直流电场下对铁电陶瓷进行极化处理，使之具有压电效应。
一般极化电场为3～5kV/mm，温度100～150°C，时间5～20min。
这三者是影响极化效果的主要因素。
性能较好的压电陶瓷，如锆钛酸铅系陶瓷，其机电偶合系数可高达0.313～0.694。
反斯托克斯荧光制冷技术综述
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论 了制 约 激 光 制 冷 效 率 的 因 素 ， 时 探 讨 了提 高 激 光 制 冷 效 率 的 方 法 和 途 径 ， 对 反 斯 托 克 斯 荧光 制 同 并
冷 技 术 的 应 用 前 景 及 其 未 来 发 展 方 向进 行 了探 讨 与 展 望 。
关 键 词 ： 斯 托 克 斯 荧 光 ； 激 光 制 冷 ； 稀 土 离子 ； 激 光 制 冷 机 反 中图分类 号 ：Ｎ ４ Ｔ ２ 文 献标识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ７ ２ ７ （０ ８０ — ４ ４ ０ １ ０ — ２ ６２ ０ ）３ ０ ７ — ７
ｉ ｌｓｒ ｃ ｏ ｉｇ ｗｅ ｅ ｍ ａｎｙ ｉ ｔｏ ｕ ｅ ｈ ｅ ｓｒ ｃｕｒ ｅ ｉ ｎ ａ ｄ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒｍ ｅ ｔｌ ｒ ｓ ｌｓ ｏ ｅ ｅ ｔ ｌｓ ｒ ｎ ａ ｅ ｏ ｌ ｒ ｉ ｌ ｎ ｄ ｃ ｄ．Ｔ ｔｕ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｎ ｘ ｅ ｎ ｒ ｈ ｉ ｎ ａ ｅ ｕ ｔ ｎ ｒｃ ｎ ａ ｅ ｃ ｏｅ ｓ ｗｅ ｅ ａｓ ｎ ｏ ｕ ｅ ｏ ｌ ｒ ｒ ｌｏ ｉ ｔ ｄ ｃ ｄ，ａ ｄ ｔｅ ｌ ｓ ｒｃ ｏ ｅ ｆＬｏ ａ ｏ ｂ ｒ ｔ ｒ ｗａ ｉｔｏ ｕ ｅ ｎ ｄ ｔｉ ｆ ｒ ｒ ｎ ａ ｅ ｏ ｌ ｒ ｏ ｓ Ａｌｍ ｓ Ｌａ ｏ ａｏ ｙ ｈ ｓ ｎ ｄ ｃ ｄ ｉ ｅ ａｌ ｏ ｒ ｉ ｄ ｓｇ ａ ｄ ｐ ｒ ｔ ｎ． Ｔｈ ｃ ｎ ｔａｎ ｏ ｅ ａ ｅ ｏ ｌ ｇ ｔ ｅ ｉ ｎ ｎ ｏ ｅ ａｉ ｓ ｏ ｅ ｏ ｓ ｉ ｔ ｆ ｔ ｌ ｓｒ ｃ ｏｉ ｗａ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ； ｍｅ ｎ ｉ ｌ ，ｔ ｅ ｒ ｈ ｎ ｓ ｉｃ ｓ ｅ ａ ｗｈ ｅ ｈ ｍ ｅ ｏ ｓ ｏ ｈ ｔ ｄ ｔ ｉ ｐ ｏ ｅ ｈ ｅ ｅ ｒｇ ｒ ｔ ｎ ｆ ｃｅ ｃ ｏ ｅ ｎ — ｔ ｋ ｓ ｌｕ ｒ ｓ ｅ ｔ ｏ ｌ ｇ ｅ ｈ ｉｕ ｗｅ ｅ ｎ ｅ ｔ ｔｄ． ｍ ｒ ｖ ｔ ｒ ｆｉ ｅ ａ ｏ ｅ ｉ ｉ ｉｎ ｙ ｆ ｔ ａ ｔ Ｓ ｏ ｅ ｆ ｏ ｅ ｃ ｎ ｃ ｏｉ ｔｃ ｎｑ ｅ ｈ ｉ ｎ ｒ ｉ ｖ ｓ ｇａｅ ｉ Ｆｉ ａｌ ｔ ｅ ａ ｐ ｉａｉ ｎ ｐ ｏ ｐ ｃｓ ｏ ｔｅ ａ ｔ — ｔｋ ｓ ｆｕ ｒ ｓ ｅ ｔ ｃ ｏ ｉ ｇ ｔｃ ｎ ｑ ｅ ａ ｄ ｉ ｆ ｔ ｅ ｎｌ ｙ， ｈ ｐ ｌ ｔｏ ｒ ｓ ｅ ｔ ｆ ｈ ｎｉ Ｓｏ ｅ ｌ ｏ ｅ ｃ ｎ ｏ ｌｎ ｅ ｈ ｉ ｕ ｎ ｔ ｃ ｓ ｕｕ ｒ ｄ ｖ ｌ ｐ ｅ ｔｌ￣ｅ ｓｗ ｅ ｅ ｂ ｉ ｆ ｉｃ ｓｅ ， ｅ ｅｏ ｍ ｎ ａ ｎｄ ｒ ｒｅ ｙ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ ｌ Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ：Ａｎ ｉＳ ｏ ｅ ｕ ｒ ｓ ｅ ｃ ｔ－ｔ ｋ ｓ ｆ ｏ ｅ ｃ ｎ ｅ； Ｌａ ｅ ｏ ｌｎ － ｌ ｓ ｒ ｃ ｏ ｉ ｇ； Ｒａ ｅ－ａ ｔ ｉ ｎ ； Ｌａ ｅ ｏ ｌｒ ｒ－ｒ ｅ ｈ ｏ ｓ ｓ ｒ ｃ ｏ ｅ
材料化学09级材料科学研究与测试方法习题
《材料科学研究与测试方法》习题及思考题一、名词解释电磁辐射（电磁波或光）、激发电位、电子跃迁（能级跃迁）、辐射跃迁、无辐射跃迁、分子振动、伸缩振动、变形振动（变角振动或弯曲振动）、倒易点阵、晶带、X射线相干散射（弹性散射、经典散射或汤姆逊散射）、X射线非相干散射（非弹性散射、康普顿-吴有训效应、康普顿散射、量子散射）、光电效应、共振线、灵敏线、原子线，共振荧光、非共振荧光、斯托克斯荧光、反斯托克斯荧光、直跃线荧光、阶跃线荧光、热助直跃荧光、热助阶跃荧光、热助激发、分子光谱、紫外可见吸收光谱（电子光谱）、红外吸收光谱、红外活性与红外非活性、K系特征辐射、L系特征辐射、Kα射线、Kβ、Kα1射线、Kα2射线、短波限、吸收限、二次电子、俄歇电子、连续X射线、特征X射线、背散射电子、吸收电流（电子）、透射电子、系统消光、点阵消光、结构消光、电磁透镜、明场像、暗场像、中心暗场像、质厚衬度、衍射衬度、d-d跃迁、f-f跃迁、生色团、助色团、蓝移、红移、振动自由度、倍频峰（或称泛音峰）、组频峰、振动耦合、费米共振、热分析、热重法、差热分析、差示扫描量热法、微商热重（DTG）曲线、参比物（或基准物、中性体）（下划线部分为重点要求的名词术语）二、填空1．电磁波谱可分为3个部分：①长波部分，包括( )与( )，有时习惯上称此部分为( )。
②中间部分，包括( )、( )和( )，统称为( )。
③短波部分，包括( )和( )（以及宇宙射线），此部分可称( )。
2．原子中电子受激向高能级跃迁或由高能级向低能级跃迁均称为( )跃迁或( )跃迁。
3．电子由高能级向低能级的跃迁可分为两种方式：跃迁过程中多余的能量即跃迁前后能量差以电磁辐射的方式放出，称之为( )跃迁；若多余的能量转化为热能等形式，则称之为( )跃迁。
4．分子的运动很复杂，一般可近似认为分子总能量（E）由分子中各( )，( )及( )组成。
5．多原子分子振动可分为( )振动与( )振动两类。
激光诱导的反斯托克斯荧光制冷_一个全新的制冷概念
3 国家自然科学基金资助项目1997-10-15收到激光诱导的反斯托克斯荧光制冷———一个全新的制冷概念3秦伟平 张家骅 黄世华(中国科学院激发态物理开放实验室,长春 130021) 摘 要 激光诱导的反斯托克斯荧光制冷,是近年来刚刚起步的新的制冷技术.光致反斯托克斯荧光的发射为凝聚态物质激光制冷提供了物理学基础.激光制冷具有体积小、重量轻、无噪声、无振动、无污染、无电磁辐射等优点,可望在不久的将来成为一项实用的制冷技术.该技术在光计算、光存储、超导、空间技术、集成光学、光通信和电子工业等领域具有广泛的应用前景.关键词 激光制冷,反斯托克斯荧光,稀土离子荧光LASER IN D UCE D ANTI ST OKES F L U ORESCENT COOL INGQin Weiping Zhang Jiahua Huang Shihua(L aboratory of Excited State Processes ,The Chinese Academy of Sciences ,Changchun 130021)Abstract Laser -induced anti -Stokes fluorescent cooling is a new technique introduced in recent years.The emission of anti -Stokes fluorescence excited by light is the physical basis for thefluorescent cooling of condensed matter.A refrigerator based on laser -cooling has the advantage of small size ,light weight ,noise free operation ,no moving parts ,no pollution ,and no electromagnetic re ser -induced fluorescent cooling may become a practical technique in the near future that may be widely used in optical computation ,optical storage ,superconductivity ,space technology ,inte 2grated optics ,optical communication and the electronics industry.K ey w ords laser cooling ,anto -Stokes fluorescence ,fluorescence of rare -earth ions1 引言生活在现在的社会中,人们对激光和制冷这两件事会觉得很熟悉.人们使用的激光唱盘机、激光视盘机和激光电视等都是应用了激光技术的高科技生活用品;而冰箱具有的冷藏能力更是在家庭生活中起了重要作用,因此人们对制冷的概念有更加深刻的认识.如果把激光和制冷这两件看起来不相关的事情联系到一起,可能会使很多人感到惊讶.然而,科学家们真的把这两件看起来不相关的事情联系到了一起,并在近来很短的时间内作出了惊人的成绩.Epstein 在《自然》[1]杂志上报道了用激光诱导固体材料的反斯托克斯荧光制冷方法,实现了013K 的降温.这是一个历史性的突破.紧接着,Clark 和Rumbles [2]发表了用同一方法在液体中实现了激光制冷,将温度降了3K.在后来不长的时间里,Mungan [3]用该方法在玻璃光纤中实现了16K 的降温.早在1929年,Pringsheim[4]就提出了通过反斯托克斯荧光对材料进行制冷的思想.十几年后,著名物理学家朗道[5]从热动力学的原理出发,证明了它的可行性,从而在理论上为反斯托克斯荧光制冷的实现铺平了道路.1950年,法国研究者Kastler[6]讨论了两个系统:(1)在圆偏振光的照射下,钠蒸气劈裂的塞曼能级;(2)在氯化钠晶体中的稀土离子电子跃迁的振动边带.他认为,在上面两个系统中都可能观察到发光-卡路里(lumino-caloric)效应.1957年,捷克研究者Tauc[7]在发表的论文中,提出半导体可以作为反斯托克斯荧光制冷材料,并申请了专利[8].但由于G aAs等半导体具有比较大的折射率,即外量子效率很低,光子趋向束缚于材料的内部,增加了参与无辐射跃迁的几率,因此没有观察到净的制冷.如果这个问题一旦解决,直接对芯片进行制冷就将成为可能.激光器诞生以后,人们很自然地将它应用到了反斯托克斯荧光研究上.1968年,Kushida 和G eusic[9]在贝耳实验室利用Nd3+∶YA G激光器泵浦另外一块Nd3+∶YA G制冷样品.他们的根据是,受激激光发射的平均能量应该比第二块晶体的同一对能级间的自发辐射的平均能量低.然而,由于技术和条件上的原因,他们却没有观察到净的制冷效应.当然,对于Nd3+离子存在另外一个问题,在激光的激发态能级的上面和下面存在着一些其他的4f带,促进了无辐射跃迁的发生.1972年,Chang[10]在一次会议上,发表了有关在有机染料溶液中实现反斯托克斯荧光制冷应用的可能性的观点,直到最近该工作才得以完成[2].第一个被观察到具有实际制冷现象的系统是由CO2激光器泵浦的CO2气体的振动态跃迁[11].特别是用1016μm泵浦的(1000)→(0001)跃迁,(0001)→(0000)的反斯托克斯荧光发射为413μm具有理想的分支比.观察到的压强变化与～1K的制冷相一致.然而,同固体材料相比,气体的密度比较低,碰撞退激发要在比较高的气体压力下才能起决定作用.很明显这样的系统对于实际的制冷器并不理想.2 基本原理通过反斯托克斯荧光对材料进行激光制冷的原理并不复杂.泵浦用的激光就像制冷泵,有人称其为“光子泵”[12],反斯托克斯荧光作为带走热量的介质.当我们用光激发一些材料时,这些材料会吸收激发光子,紧接着又会放出荧光光子.如果我们对激发光和材料进行选择,就有可能发生如下的情况,即材料吸收较低能量的光子后,发射出较高能量的光子.这两种光子间的能量差就是材料的热激发所形成的.也就是说,材料中的热能转变成了光能,并以荧光的形式被带走.而材料的温度会降低,达到制冷的目的.这就是反斯托克斯荧光制冷的基本原理.而这种吸收能量较低的光子后发射能量较高的光子的过程称为反斯托克斯荧光过程,所发射的荧光称为反斯托克斯荧光.毫无疑问,制冷的工作材料和激发光波长的选择是该技术应首先要解决的问题.为了说明如何选择上面两个关键因素,必须将基本原理加以详细的说明.首先,让我们从材料谈起.根据上面谈到的基本原理,激光制冷所使用的材料应具有光致荧光特性.材料在某一波长的光激发下能发射出荧光.因此,要求材料中具有发光中心.所谓的发光中心就是在某种条件下能够发射光子的原子、分子、离子和缺陷.它们往往是人们为了某种目的有意掺入材料中的一些杂质.图1表示一个能级结构非常简单的发光中心,其中11为基态,21和22为激发态能级的两个斯达克劈裂.基态和激发态之间具有比较大的能级间距.根据能隙定理,激发态向基态的跃迁以辐射跃迁为主,无辐射跃迁的几率非常小,可以忽略.因此,上能级的激发态只能通过发射一个光子的形式向下能级弛豫.我们也可以说,系统的辐射跃迁(荧光)量子效率接近1,即每吸收一个具有能隙宽度大小的光子便放出一个光子.图1 上能级劈裂的发光中心模型(11为基态能级,21和22是激发态的两个斯达克劈裂能级,相距很近.吸收光子后,从11跃迁到21,热激发使21向22发生跃迁,并在很短的时间内达到热平衡)我们假设激发态的两个斯达克劈裂能级间的距离最大只有几个k T ,k 为玻尔兹曼常数,T 为制冷时的温度.当这两个能级的热平衡被破坏后,在极其短暂的时间内(几个皮秒或更快),两个能级将重新达到热平衡.这就构成了一个最简单的荧光制冷系统.例如,一个窄带光源(也就是激光),被调谐到激发基态11向激发态21之间的跃迁,能级21就会变得过布居,从而相对于能级22之间的热平衡就不复存在.为了恢复热平衡,一些处于激发态21的粒子将瞬间地转移到较高的能级22上.随后,处于激发态的粒子就马上会以辐射跃迁的方式弛豫到基态:能级21→11和22→11的跃迁都会辐射荧光.这样的荧光辐射弛豫,典型地发生于纳秒到毫秒量级的时间的尺度内,比激发态之间的热平衡要慢得多.很明显,发射的光子的平均能量比吸收光子的平均能量大.这个能量差就是受激能级之间达到热平衡所需要的热吸收,并且被固体材料所发射的荧光带走,结果造成了制冷效应.另外,我们也可以假设基态劈裂成两个能级11和12(如图2所示),并且激发态是由单个能级21构成.通过调谐激光,使能级12向21跃迁,随着能级21向12和21向11的跃迁发生,放出荧光光子.为了满足热平衡的要求,11吸收热量后在瞬间向12发生热跃迁.这样,就保证了12向21光跃迁的粒子数的需求.同样,荧光光子的平均能量大于吸收光子的平均能量,从而产生制冷效应.图2 下能级劈裂的发光中心模型(11和12为相距很近的两个基态斯达克劈裂能级,21是激发态能级.吸收光子后,从12跃迁到21.热激发使11向12发生跃迁,并在很短的时间内达到热平衡)更一般地讲,我们可以想象如图3所示的这种情况.上能态和下能态都是由相距很近的一些能级组成.泵浦激光尽可能地调谐到吸收光谱的红边,这样激发跃迁发生在下能级的顶部和上能级的底部之间.激发态和基态间将产生光辐射跃迁,辐射的荧光平均地具有较短的波长,或者说具有较高的能量,结果就导致了制冷.在该模型中,基态和激发态都具有能级劈裂,一旦激发过程发生,被破坏的热平衡将通过吸收热量重新建立.图3 上、下能级均有劈裂的发光中心模型(11—1n 为相距很近的一组基态斯达克劈裂能级;21—2n 为相距很近的一组激发态斯达克劈裂能级.吸收光子后,从1n 跃迁到21.热激发劈裂能级在很短的时间内达到热平衡)在该项研究中,可选材料应具有类似于图1,2,3中所画的能级结构.如导半体(激发带隙)、掺杂稀土或过渡金属的晶体和玻璃(激发它们的4f 或5d 多重态)、处于任何态的多原子分子(激发在振动能级之间产生).如辐射量子效率为1,每个光子的制冷能量就等于荧光光子和吸收光子之间的能量差.入射泵浦光的波长为λ泵浦,并将荧光光子的平均能量写为λ平均/hc.我们可以导出P制冷=P吸收(λ泵浦-λ平均)/λ平均,式中P制冷为制冷功率,P吸收为吸收的泵浦功率.此处的λ平均是由实验决定的,即通过测量荧光光谱并找到其平均能量所对应的波长.利用以上公式,人们可以很容易地计算出任何感兴趣的材料的制冷效率.然而,在实际工作中,很多因素都会限制制冷功率.如无辐射能量弛豫过程(加热过程)、激发态的再吸收、荧光的吸收、材料体的和表面的不纯净所造成的能量转移等诸多过程.3 实验方法Epstein等人首次成功地通过激光诱导反斯托克斯荧光在固体体材料上获得净的制冷.他们所用的材料为掺杂Yb3+的重金属氟化物玻璃Z BLANP(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF-PbF2).Z BLANP是一种声子能量较低的玻璃材料.近几年来人们对Z BLANP玻璃的研究越来越多.稀土离子Yb3+具有类似图3所示的简单的能级结构,也就是说,在体玻璃材料的紫外吸收边的下方,只有两个非均匀展宽的能级,即一个4能级的2F7/2基态和一个3能级的2F5/2激发态,它们之间有近1μm的能隙劈裂.对于反斯托克斯荧光制冷的研究来说,钇在该基质中具有非常理想的无辐射长寿命及高的平均荧光光子能量.如图4所示,Epstein等人利用共线光热探测技术,研究了掺杂1wt%Yb3+的Z BLANP 样品的微观制冷性质.用斩波的红外光照射样品,同时用一束反向的He-Ne激光束聚焦在样品的同样区域,015Hz斩波的泵浦红外光引起He-Ne激光发生热诱导的角度变化,并被数字示波器同步地探测到.观察到的探测信号的大小作为泵浦波长的函数,决定于样品的吸收和红外泵浦功率,并给出了制冷效率.如图5所示,在980nm和1010nm激光激发下,两个波形相差180度的相位.这表明两个波长的激发分别导致加热和制冷两种效应.图4 共线光热探测方法的实验装置(He-Ne激光通过样品的制冷区域,当温度发生变化时,折射率要发生改变,因此He-Ne激光的方向要发生偏折.利用位置灵敏探测器即可测到这种变化)图5 共线光热探测的两种波形(在980nm激光激发下,加热效应使He-Ne光束产生偏折,在1010nm激光激发下,制冷效应使He-Ne光束产生相反方向的偏折.因此,两种波形分别对应着加热效应和制冷效应)在实验中,研究人员采用了两个完全一样的样品,样品的形状如火柴杆,悬吊在一个真空室内.沿着其中的一个样品的长轴用功率为800mW、波长为1008nm的光进行照射.为了探测照射样品相对于非照射样品的温度,用一个InSb焦平面阵列测量样品上一个小点的黑体辐射.他们探测到了低于环境温度013K的净制冷效应[1].该研究组的另外一个工作是将温度降了16K[3].他们将样品的几何形状变得更加合理,采用了钇掺杂的Z BLANP玻璃光纤.用770nW 的1015nm的激光泵浦一小段这样的光纤,使其温度从298K变到了282K.温度是直接从测量荧光光谱的形状得到的,因为荧光光谱的形状受基态和激发态能级的玻尔兹曼布居的影响.另外,通过对样品进行激光的突然照射,测量样品的指数热弛豫,可以肯定地说,样品上起决定作用的热负荷是背底的黑体辐射.对于上述实验来说,在1015nm波长泵浦时,室温实验的制冷效率约为2%.当然,如果泵浦波长加长,制冷效率还能提高.然而,由于在样品的吸收光谱的红端,吸收系数迅速下降,这就需要相应地增加光束在样品中的光程,以增加吸收.为此目的,可以采用两种方法:一是采用长的光纤作为工作材料,并且光纤的外包层对荧光是透明的,荧光可以透过它射出,光纤缠绕在一个冷端上,冷端镀金以反射荧光辐射,然而,并不是所有的材料都可以拉制成具有所需的弯曲半径和强度;更一般的方法是,将表面抛光的样品置于一个共焦的F-P腔内,激光从反射镜上的一个小孔射入,经过多次反射以增加光程.入射激光由于反射而陷于腔内,直到被样品吸收.另外一个比较有意义的工作是由Clark[2]等人完成的.他们采用罗丹明101作为制冷介质,因为它的量子效率接近于1,不存在无辐射弛豫通道.他们采用的样品是含有罗丹明101的酸性乙醇溶液,其中罗丹明101的含量为10-4M,HCl的含量为10-2M.实验中研究人员用1mW的He-Ne激光(63218nm)对该样品进行激发,并用单色仪和光电倍增管观测荧光光谱和荧光强度.他们发现在上述条件下,罗丹明101的荧光强度随时间的增加不断减弱,表明制冷效应存在.在进一步的工作中他们发现:激发光波长在620—634nm范围内,荧光强度随时间减弱;激发光波长在583—605nm范围内,荧光强度随时间增强.前者意味着制冷效应的存在,后者意味着加热效应起了作用.Clark 等人利用该方法观察到了3K的降温.4 应用前景目前在室温实验中得到的激光制冷效率仅为2%,当然通过增加泵浦波长还可以将其提高.但是,随着波长的增加,制冷介质对泵浦光的吸收也迅速下降.当然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;另一种方法是采用F-P腔的结构,将制冷介质置于腔内,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.随着半导体激光器的不断发展,各种波长的半导体激光器层出不穷.这就为激光制冷器的小型化提供了条件.体积小而又无振动的制冷器毫无疑问将具有广阔的应用前景.比如在光存储领域,用光谱烧孔的方法对信息进行记录,可以在每个记录点上记录上千个比特的信息,然而,这需要在低温下才能实现.将记录介质泡在液氮中进行工作是不现实的.体积小的激光制冷器就有可能实现其实用化.另外在电子工业领域,随着集成度的不断增加,芯片的单位体积发热量不断上升,已经到了影响集成度进一步提高的程度.目前高度集成的芯片采用风扇制冷的方法.这不仅增加了噪声,也常常使芯片不能正常工作.在空间和军事领域,体积和重量的减少就意味着资金的节省和安全性的提高.因此,我们可以说,未来的高科技呼唤着激光制冷器的实用化.参考文献[1]R.I.Epstein,M.I.Buchwald,B.C.Edwards et al.,N at ure,377(1995),500.[2]J.L.Clark,G.Rumbles,Phys.Rev.Lett.,76(1996),2037.[3] C.E.Mungan,M.I.Buchwald,B.C.Edwards et al.,Phys.Rev.Lett.,78(1997),1030.[4]P.Pringsheim,Z.Phys.,57(1929),739.[5]ndau,J.Phys.(Moscow),10(1946),503.[6] A.K astler,J.Phys.Radium,11(1950),255.[7]J.Tauc,J.Phys.,7(1957),275.[8]W.E.Bradley,U.S.Patent,No.2898743,(1959).[9]T.Kushida,J.E.G eusic,Phys.Rev.Lett.,21(1968),1172.[10]M.S.Chang,S.S.Elliott,T.K.Gustafson et al.,I EEEJ.Quant um Elect ron.,8(1972),527.[11]N.Djeu,W.T.Whitney,Phys.Rev.Lett.,46(1981),236.[12]N.Djeu, m un.,26(1978),354.3 国家自然科学基金资助项目,安徽省自然科学基金资助项目1997-10-10收到初稿,1997-12-15修回理论物理研究与光纤通信新概念探索3杨 理 阎沐霖(中国科学技术大学基础物理中心,合肥 230026)刘颂豪(华南师范大学量子电子学研究所,广州 510631) 摘 要 文章从光纤通信的基本概念出发,介绍了新一代光纤通信系统———光孤子通信系统研究中与物理学有密切关系的一些方面,并结合作者近年来的探索性工作,较深入地讨论了这一首例非线性通信系统的关键问题,提出了孤子信道的RLL(run length limited)编码和孤子-混沌通信的概念,并重点介绍了光孤子-呼吸子通信的基本思想和主要结果.关键词 光孤子通信,光孤子-呼吸子序列,RLL信道编码,孤子-混沌通信THEORETICAL PH YSICS AN D THE EXPLORATION OF NEWCONCEPTS IN FIBER OPTIC COMMUNICATIONY ang Li Y an Mulin(Center f or Fundamental Phycsics,U niversity of Science and Technology of China,Hef ei 230026)Liu Songhao(Instit ute of Quant um Elect ronics,South China Normal U niversity,Guangz hou 510631)Abstract Beginning with the basic concepts of optical communications,several aspects close2 ly related to the physics of optical soliton communications are introduced.The key problems of this nonlinear communication system are discussed in depth.We propose some new concepts such as RLL channel coding of solitons and soliton-chaos communication,and introduce the basic ideas and main results of optical soliton-breather communication.K ey w ords optical soliton communication,optical soliton-breather sequencies,RLL channel coding,soliton-chaos communication 现在常能见到人们把信息与物质、能量相提并论,信息的重要性正逐渐为当代社会所认识.严格说来,各种技术资料、工艺流程以至整个科学技术理论都是“信息”,失去这些信息,人类社会将不知要倒退多少年.进一步而言,生命的过程本质上也是信息演变的过程.由碳、氢、氧、氮等简单元素构成的基因携带着生命的信。
荧光再吸收对固体荧光制冷的影响
１ 荧 光 制 冷 原 理
目前观 察 到荧光 制冷 现象 的材 料几 乎 都是 准二 能级 结 构， 以掺 镱 的 Ｚ Ｌ Ｂ ＡＮＰ材 料 为 例 ， 型 的激 光 冷 却 固体 原 典 理 如 图 １ 示 。材料 的 上下 能 级 均 由许 多 子 能 级 组成 ， 所 子 能 级 间的 热迟豫 时 间远 远小 于 荧 光 寿命 ， 以各 子 能 级 的 所 离 子数 服从 平衡 时 的 Ｂ ｌ ｍａ ｎ分 布 ， 料 的荧 光 谱 形 状 ｏｔ ｎ ｚ 材
摘
要 ： 建 立 了荧 光 再 吸 收 的蒙 特 卡 罗 计 算 模 型 ， 不 同 尺 寸 的 Ｙ ” ： Ｂ Ａ 对 ｂ Ｚ Ｌ ＮＰ玻 璃 材 料 的 荧 光 再 吸
收 作 用 进 行 了数 值 计 算 ， 出 了 由于 再 吸 收作 用 引 起 的 荧 光 平 均 波 长 红 移 与 界 面 反 射 和 材 料 尺 寸 的关 系 。对 给
的不 利 的影 响 。
关 键 词 ： 发 光 学 ； 荧 光 制 冷 ； 蒙 特 卡 罗方 法 ； 荧 光 再 吸 收 ； 反 斯 托 克 斯 荧 光
中 图分 类 号 ： Ｔ ４ Ｎ２ ２ 文献标识码 ： Ａ
利用 反 斯 托克 斯 荧光 冷却 物 体 的原 理 早 在 １ ２ ９ ９年 就 由德 国物理 学 家 Ｐ ｉｇ ｈ ｉ 提 出Ｌ ： ｒ ｓｅ ｎ ｍ １ 一些 材 料 的原 ］ 子通 过 吸收光 子跃 迁 到激发 态 ， 由于激 发 态 原 子 与 声 子 的相 互 作 用 ， 可 以 发 出 比吸 收光 子 的 波 长更 短 的光 它 子， 从而 使材 料降 温 。反斯 托克斯 荧 光制 冷原 理 虽然 简单 ， 要在 实 验 中观 察 到这 种 制 冷作 用 并 不容 易 ， 别 但 特 是 固体材 料 ， 因为 它对 材料 的量 子效 率 、 净度 、 纯 发光 特性 要 求很 高 ， 到 １ ９ 直 ９ ５年 ， 国 Ｌ ｓＡｌ ｓ国家 实验 美 ｏ ａ ｍｏ 室 Ｅ ｓｅ ｐ ｔｉ 人 利用掺 镱 的 Ｚ Ｌ ｎ等 Ｂ ＡＮＰ材 料才 首 次观 察 到固体 的荧 光制 冷 效应 Ｌ 。此 后 ， 续发 现 了其 它 几种 ２ ］ 陆 固体材料 的荧 光 制冷 效应Ｌ６。利用 这 种效应 可制成 全 固体 光 学制 冷 器 ， ３］ － 与传 统 制冷 器 相 比具 有无 振 动 、 量 重 轻、 寿命 长 、 电磁 干 扰等优 点 ， 抗 在空 间 飞行器 、 温 电子 器件 、 低 红外探 测 器件 、 高分 辨 率光谱 等 领域有 广 阔的应
原子分子物理学
中］ 杨传铮 （ ／ 中国科 学院上海 微系 统与 信息技术研究所 ， 上海 ２ ｏ ５ ）汪保 国， ０ ０ ０， 张建 勿 理学进展． ０ ７ ２ （） ９ —２ ｏ ， ７１． ～ —６
９ １
关键词：超强激光脉冲与等离子体相互 作用；高能离子束 ０ １ ０２ １０・ ０原 子分子物理 学 ７５０２ ４ ６ 天然紫杉烷类化合物的核磁共振氢谱特
绍 ． 图 ３参 ３ ５
二维 ｘ 射线衍 射及其应用研 究进展 ＝
Ｐ ｏ ｒ ｓ ｎ ｒ ｓ ａ ｃ ｆ ｔ — ｉ ｎ ｉ ｎ ｌ ｒ ｇ ｅ ｓ ｉ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｗｏ ｄ ｍｅ ｓｏ ａ
Ｘ ｒｙｄｆ ａｔ ｎａｄｉ ｐｉａｏ ｓ［ ， － ｉｒｃｏ ｔ ａ ｌ ｔ ｎ 刊 ａ ｆ ｉ ｎ ｓｐ ｃ ｉ
在系统分析天然紫杉烷类化合物核磁共 振氢谱 的基础上 ，对具有不 同骨架类型 的天然紫杉烷类二萜化合物 的核磁共振 氢谱 的特征进行 了总结 ，提供 了部分不 同类型 的紫杉烷类化合物 的核磁共振氢 谱 图．这些 ＭＲ特 征对于紫杉烷类 ＨＮ 化合物的结构确定非常有益． 图 １ 表 １ ８
维普资讯
２０ ０ ７年 １ ３卷 第 １ ５期 的理论模型，并简单讨论 了激光制冷实 验中各种测量温 度变化的实验方法及其 基本原理．最后，就反斯托克斯荧光制 冷的一种最新应用及其前景进行 了简单 介绍与展望．图 ２ ２参 ３ ５ 关键词 ：反斯托克斯荧光制冷 ；固体荧 光材料；激光冷却
Ｏ １ｏ １ ７５ｏ７ ｌ ０・５ ４ ０
中国学术期刊文摘 （ 中文版） 系更有利于锂的吸附．锂在 Ｂ掺杂的复 合管如 Ｂ 纳米 管中有很大的吸附能． Ｃ 锂穿透纳米管壁从管壁外进 入纳 米管 内 的能垒， 随着纳米管壁拓 扑缺 陷结构的 尺寸变大而显著降低，Ｂ 在纳米 管壁 的 存在会进一步 降低锂 穿越纳米 管壁的能 垒． 同时 Ｂ的掺杂会降低相 同拓 扑缺 陷 的生成能 ，导致在 Ｂ ３ Ｃ 纳米管中 出现 更 多 的拓扑缺 陷，从 而有利于锂 离子的扩 散．实验与理论计算 的结合 可望加深对 锂 离 子在 纳米 管材 料 中嵌 入 过程 的 理 解 ，指导设计 具有更 高储锂 性能的新材
美国研究人员在固体材料激光冷却方面取得突破
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美 国 研 究 人 员 在 固 体 材 料 激 光 冷 却 方 面 取 得 突 破
据 ｗｗｗ． ｈ ｔ ｎｃ ．ｏ 网 却 至 １Ｏ ， 同 时随 着 温度 的 降 反 斯 托 克 斯 荧 光 过 程 中随 着 晶 ｐ ｏ ｏ ｉｓｃ ｒ ｎ ７Ｋ 站 报 道 ，美 国新 墨西 哥 大 学 的 低 ，其 效 率 和 冷 却 能 力 均 会 递 格 振 动 的 消 失 而 被 排 除 的。 个 研 究 小 组 研 制 出 一 种 可 用 减 。现 在 他 们 已经 排 除 了这 一 他 们 认 为 ，根 据 他 们 正 在 于 机 载／ 载传 感 器 的全 固 态 激 障碍 ，他 们 在 非 最 佳 条 件 下 利 进 行 的建 模 工 作 和 辅 助 光 谱 测 星
一
掺 ｉＦ 光冷 却 （ 学 制 冷） 术 。 小 组 用 激 光 冷 却 技 术 （ 镱 的 ＬＹ ４ 量 情 况 ， 一 旦 最 佳 条 件 和 材 料 光 技 该 的Ｓｅ —ａａ教授表示， ｈｉ Ｂ ｈｅ ｋ 目前 标 晶体）以 ９ ０ｍＷ 的 冷 却 能 力 达 纯 度 的 合 理 改进 得 到 实 施 ，他 准 的 多 级 热 电 （ 尔贴 ）制 冷 器 到 了 １５ 的 冷 却 温 度 。 固体 们 就 有 可 能使 冷 却 温 度 接 近 液 帕 ５ Ｋ 在
仅 可 将 某个 器 件 （ 探 测 器 ）冷 材 料 的 激 光 冷 却 中 ，热 量 是 在 如 氮 （７Ｋ）的温 度 。 ７
图 １ 研 究人 员 正在 对 掺 镱 的 ＹＬ 晶体 的制冷 效 率进 行 光谱 研 究 Ｆ
ＳｅｋＢ ｈｅ解 释 道 ，红 外 镱 基 制 冷 机 。他 们 认 为 ，关键 是 他 们 所 用 的 样 品 腔 涂 有 一 层 可 ｈｉ—ａ ａ 光 子 探 测 器 和 焦 平 面 阵 列 必 须 要 能 充 分 利 用 掺 镱 的 ＹＬ 晶体 将 样 品上 的辐 射 （ Ｆ 黑体 ）负 载 减 经过冷却才会变得非常灵敏 （ 低 （ 晶体 场 分 裂）中 的锐 利 斯 塔 克 至 最 少 的膜 层 。此 外 ， 们 还 设 他 暗 电流） 。许 多 这样 的探 测 器 目 能 级 共 振 。不 同 于 以 前 激 光 冷 计 和 运 用 了一 种 非 接 触 式 温 度 前 使 用 的都 是 机 械 制 冷 机 （ 斯 却 中使 用 的 玻 璃 基 质 ， 晶体 基 测 量技 术 。 如 特 林 制 冷机）。这 些 制 冷 机 体 积
固体激光制冷的循环机制
６０ ０ ０￣ ｌ ｎ ｏ ｌ
型十分复杂 ，这里提 出一种简单的双能级系统以分析激 光制 冷 的微观过程，并计算制冷的功率和效率。然 后讨论几种主 要的影响制冷能力和效率的因素 ， 并确 定温度和时间的关系。 为 了有效的进行固体激光制冷，其关键在 于选择合适的 荧光 中心、 能级结构 以及合适 的能 隙。以 Ｔ 为例， 它 的能级 分布 如图 ｌ 所 示，宽度 不均匀的每个 能级对应一个斯塔克分 裂集合 。 例如 ， ’ 能级有 ９个斯塔克分裂能级， Ｈ６ 则有 ｌ ３ 个。 很显然 ， 选 择 ｝ Ｌ和 ｛ ６ 分别 作为激光泵 的较低和较高能级是 十分合适 的。在冷 却循 环中， Ｈ６ 是基态 ， 是激发态 。相应
Ｆ ４ ， 这个激 发随后热力学松弛 ， 离子吸收振动能量从位置二 跃迁 到位 置三 ， 然后离子反生 自发的衰变， 从位置三 到位置
四 Ｈ ，同时释放 出荧光光子 ｈ ｕ ｆ ．最终发 生热力学松弛回到
Ｈ ６ ， 完成激光泵荧光辐射制冷循环 ， 在这个循环中， 平均能量 ｈ ｖ ￣ ｈ ｖ 被释 放出来， 导致 同体材料的温度 降低 。因为上述 的两 个热力学衰变过程方 向相同， 图ｌ 所示的Ｔ ｍ 的能级结构可 以
义为 ： Ｗ． ， ＝ Ｎ ２ Ｗｏ ｅ ｘ ｐ （ － ｖ Ａ Ｅ ）
— —
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ｎ￣ ， ＝ Ｎ２ Ｗｏ ｅ ｘ ｐ （ ． Ｙ △ Ｅ ） Ａ Ｆ ＿ ， ／ ８
（ １ ）
发生反斯托克斯荧光辐射时， 每次跃迁带走一个光子 ， 单
斟协论 坛 ・２ ０ １ ３年第 ８期（ 下 ）——
固体激 光制冷 的循环 机制
口 阮 小 凡
湖北 ・ 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ９ ） （ 华 中师 范大学化学学院
激光制冷固体材料的研究现状与未来
激光制冷固体材料的研究现状与未来作者：申超张俊来源：《新材料产业》2016年第01期一、激光制冷固体概述激光制冷，是指用一束或多束特定的激光照射物质，在激光与物质相互作用后，物体的温度变低。
然而，从日常生活经验可知，物体可以吸收光的能量而发热，比如大家都喜欢在沙滩上晒太阳，在夏日太阳炙烤的马路上难于光脚着地等等。
相比于太阳光，激光的功率密度更高，大功率的激光甚至可以将物质熔化，因而可以用激光进行机械加工切割、制造激光武器等等。
如果有人说激光可以用来制冷，也许大家会觉得有些违背常理。
但事实上，科学家们不仅利用激光实现了稀薄原子气体的制冷，近年来也已经成功利用激光实现了固体材料的制冷。
那么激光是怎样冷却物质的呢？要解释这个问题需要首先理解什么是温度。
简单的来看，热是物质内部原子运动的表现，而冷热程度就表现为组成物质的原子运动的剧烈程度。
以水分子为例：温度越高，水分子运动越快，自由运动的幅度越大。
当水温高于沸点，水会沸腾，大量水分子离开水面，成为气体；而温度越低，水分子运动得越慢，运动的幅度越小，当水温低于冰点的时，水凝结为冰，只能够围绕中心位置振动。
在量子力学概念下，这种热振动的能量量子化为声子。
激光冷却固体也被称之为光学制冷（Optical Refrigeration），其概念早在1929年就由德国物理学家Peter Pringsheim提出。
其基本原理是：当用特定波长的单色光去照射激光可制冷物质时，该物质可以吸收低能量的激光光子（长波长光子），然后同时通过自发辐射，发射出相同数量的高能量光子（短波长光子）——这一过程被称为上转换荧光或者反斯托克斯荧光。
由能量守恒定律可知发射的高能光子需要从物质中带走一部分能量，这一部分能量可以是物质的热振动（声子）。
当物质中的声子被吸收，声子能量被发射光子带走，而且没有其他额外的加热机制时，物质的温度就会下降。
在这一理论提出之后，曾经在历史上引起了一些关于这一过程是否违反热力学第二定律的争论，最终Landau在1946年给出了光辐射熵的定义，从热力学上解决了光制冷的物理机制。
激光制冷
离子在该光学介质中具有理想的无辐射长寿命和高的平均荧光光子能量。
1996年,英国学者J.L.Clark等人采用染色剂若丹明101的酸性乙醇溶液作为激光制冷介质获得了3K的温降[4]。
LosAlamos国家实验室在取得固体材料激光制冷重大突破后,又于1997、1998、1999
年同样采用掺杂三价镱离子Yb3+重金属氟化玻璃作为激光制冷介质分别获得了16K
21K、65K的从室温起始的温降[5-7]。现在,他们正向着激光制冷机的实用化方向努力。
4典型激光制冷装置
图2激光制冷实验装置示意图图3激光制冷机设计方案简图
图2为LosAlamos国家实验室采用固体发光介质进行激光制冷研究取得举世瞩目成绩的实验装置示意图[7]。由图2可见,该实验装置由激光发生传输系统、荧光采集分析系统真空系统以及制冷元件组成。其中激光发生传输系统包括Ti-蓝宝石激光发生器、凸透镜光纤、显微镜物镜和全反射镜;荧光采集分析系统包括显微镜物镜、凸透镜、光纤和光谱仪;真空室为制冷元件提供真空环境,以实现制冷元件与环境的绝热。在真空室的三个壁面上安装了氧化矽窗,用以为激光和散射荧光提供进出真空室的通道;制冷元件材料为掺杂三价镱离子Yb3+重金属氟化玻璃ZBLANP,镱离子Yb3+的质量百分比为1%,制冷元件由四根水平安置的直径125Lm,长约2cm的氧化矽纤维固定在四根垂直安置的支撑棒上,该结构可以使处于室温的支撑棒到制冷元件的热漏降低到25nW/K。实验进行时,Ti-蓝宝石激光发生器产生的激光通过凸透镜、光纤和显微镜物镜组成的光路入射到制冷元件的左端,激发ZBLANP中的掺杂三价镱离子Yb3+,使其散射出反斯托克斯荧光,未被吸收的激光光子通过显微镜物镜和全反射镜组成的反射光路再次进入制冷元件,可见该反射光路可提高激光的利用率。散射的反斯托克斯荧光由显微镜物镜采集,并通过凸透镜和光纤传送到光谱仪进行光谱分析,将分析结果与不同温度条件下三价镱离子Yb3+的荧光光谱比较,便可确定制冷元件的温度。
材料科学研究方法知到章节答案智慧树2023年青岛理工大学
材料科学研究方法知到章节测试答案智慧树2023年最新青岛理工大学第一章测试1.材料的性能（力学性能和物理性能）是由其内部的微观组织结构决定的。
不同材料固然具有不用性能，同种成分的材料具有不同结构时，也具有不同的性能。
参考答案:对2.材料的四面体：合成/制备；性质；结构/成分；使用性能参考答案:对3.材料的组织形貌是指不同层次材料的相分布、形状、大小、数量等各种晶粒的组合特征。
可分为表面形貌和内部组织形貌两种。
参考答案:对4.材料的组织形貌分析借助各种显微技术探索材料的微观结构。
主要包括（）等。
参考答案:光学显微;透射电子显微;扫描电子显微;扫描隧道显微5.主要的晶体物相分析方法有 X 射线衍射(XRD)、电子衍射(ED)、及中子衍射(ND)，其共同的原理是利用电磁波或运动电子束、中子束等与材料内部规则排列的原子作用产生相干散射，获得材料内部原子排列的信息，从而重组出物质的结构。
参考答案:对6.在化学成分相同的情況下，晶体结构不同或局部点阵常数的改变不会引起材料性能的变化。
参考答案:错7.在材料的结构测定中，X 射线衍射分析仍是最主要的方法。
参考答案:对8.中子受物质中原子核散射，所以轻重原子对中子的散射能力差别比较小，中子衍射有利于测定轻原子的位置。
参考答案:对9.成分谱分析用于材料的化学成分分析，包括主要化学成分及少量杂质元素，主要基于其它物理性质或电化学性质与材料的特征关系而建立。
成分谱种类很多，有（）等参考答案:原子吸收光谱、质谱;热谱;光谱;色谱10.近二三十年，材料测试手段呈现出如下的发展趋势：参考答案:制样手段个性化;从静态研究材料结构性能向动态研究材料形成过程发展;测试设备大型化、精密化和高科技化;多种手段联合使用第二章测试1.X射线在穿透物质后衰减，除主要部分是由于真吸收消耗于光电效应和热效应外，还有一部分是偏离原来的方向，即发生了（）。
参考答案:散射2.特征X射线谱：当入射波增大到与阳极靶相适应的强度时，会在连续谱上出现一系列强度高、范围窄的线状谱线，这些谱线都是与特定的物质有严格恒定的关系，因此称为特征X射线谱。
拉曼散射 斯托克斯光和反斯托克斯光
拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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1.2 概述斯托克斯光和反斯托克斯光。
反斯托克斯荧光技术
反斯托克斯荧光技术
反斯托克斯荧光技术是一种用于生物医学领域的非线性光学显微技术，其原理是在受激发光作用下，样品中的分子会吸收能量并发射较长波长的荧光光子。
相比于传统的荧光显微镜技术，反斯托克斯荧光技术具有更高的深度穿透能力和更低的自发荧光背景噪声，可以实现更高分辨率的成像。
反斯托克斯荧光技术的应用范围广泛，包括神经生物学、癌症诊断、药物研发等领域。
例如，通过对神经元中的钙离子浓度进行成像，可以揭示神经元活动的规律；在肿瘤研究中，该技术可以帮助研究人员观察肿瘤细胞的生长和转移过程。
虽然反斯托克斯荧光技术具有许多优点，但其成像深度仍然受到限制，并且需要较高的激光功率，可能会对样品造成损伤。
因此，研究人员仍在不断努力提高其成像深度和降低激光功率，以便更好地应用于生物医学领域。
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光电子技术基础题库
光电子技术基础题库一．填空题1、光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件，光源器件分为 光源和 光源。
2、某一半导体材料的禁带宽度为3.1 电子伏特，则该半导体本征吸收的长波极限为 纳米。
3、最早的电光源是炭弧光灯，最早的激光器是1960年由美国家的梅曼制作的激光器。
4、当受激辐射大于受激吸收的时候，物质对外表现为光 ，当受激辐射小于受激吸收时候，物质对外表现为光 。
5、激光器的基本结构包括 ， ， 。
6、受激辐射产生的光的特点是： 好， 好， 好。
7、发光的方式很多，但根据余辉的长短可将发光大致分成 和 两类。
8、光电探测器的物理效应可以分为三大类： 、和 。
9、太阳能电池是利用半导体的 原理直接把光能转化为电能的装置。
10、光纤由传导光的 和外层的 两同心圆形的双层结构组成，且12n n 。
外面再包以一次涂覆护套和二次涂覆护套。
11.根据液晶的分子不同可以将其分为 、 和 液晶。
12. 按照声波频率的高低以及声波和光波作用的长度不同，声光相互作用可以分为 衍射和 衍射 。
13. 在间接带隙半导体中，电子由价带顶跃迁到导带底时，需要同时吸收或发射 ，以补偿电子准动量的变化。
14.光波在光纤中传播有3种模式，导模（传输模），和。
15. 光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示与频率的关系，虚部表示物质与频率的关系。
16、液晶显示所用的液晶材料是一种兼有和双重性质的物质，它的棒状结构在液晶盒内一般平行排列，但在电场作用下能改变其排列方向。
17、某一半导体材料的禁带宽度为2.6 电子伏特，则该半导体本征吸收的长波极限为纳米。
18、光纤通光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件，光传输器件分为光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等)、和等。
19、受激辐射产生的光的特点是：好，好，好。
20、激光器按工作方式区分可分为和激光器。
21.光电子技术主要研究光与物质中的电子相互作用及其的相关技术，是一门新兴的综合性交叉学科。
高激发功率密度与真空条件下的反斯托克斯发光过程
高激发功率密度与真空条件下的反斯托克斯发光过程王绩伟;卢雪梅;刘兴辉;范晓星;王中文;梁雅秋;谭天亚;梅勇;刘忠坤;郝建华;TannerPeter A.【期刊名称】《现代物理》【年(卷),期】2013(003)002【摘要】通常上转换机制大体可归纳为三类:1) 基态与激发态的步进吸收过程;2) 掺杂离子间的能量传递型上转换;3) 光子雪崩型上转换,这些跃迁过程都发生在带间掺杂稀土离子的4fN~4fN组态之间。
在高激发功率密度与真空条件下,稀土氧化物发生了一类特殊的上转换过程,在激发发射机制上不同于上述已知的上转换形式。
光子数拟合和光电导测量结果表明这是一种带隙激发过程,激发过程始于稀土离子基态,经多光子过程到达导带;电子由导带的退激发过程导致了起源于电荷迁移态、带间能级辐射跃迁、激子复合等多种发光过程,加上光致黑体辐射形成了具有多种发光起源的混合反斯托克斯发射,在光谱上表现为宽带连续强发射。
因此发光机制是掺杂离子(激发态过程)与基质(带隙激发)体系的整体协同激发发射过程,分立发光与复合发光两类不同的发光机制中的各种形式,都参与了这种特殊的上转换激发发射过程。
激发功率密度、激活离子掺杂浓度、样品所处环境的真空度以及基质带隙宽度,是实现这种近红外激发下的反斯托克斯发射的关键实验条件。
在功率密度为50 W/cm2的1 W 980 nm近红外激发下,能量转化率可达10%以上,亮度可达100,000 cd/m2,流明效率达到15 lm/W,色度可通过对真空度、激发功率密度及掺杂浓度等实验参数来连续调配。
这类特殊的反斯托克斯过程不仅在机制分析和新掺杂体系尝试两方面有大量的理论和实验工作值得深入挖掘拓展,在应用方面还有开发特种需求的高亮度白光点光源,非接触型气压传感器的潜在价值。
【总页数】6页(P59-64)【作者】王绩伟;卢雪梅;刘兴辉;范晓星;王中文;梁雅秋;谭天亚;梅勇;刘忠坤;郝建华;TannerPeter A.【作者单位】[1]辽宁大学物理学院,沈阳;;[1]辽宁大学物理学院,沈阳;;[1]辽宁大学物理学院,沈阳;;[1]辽宁大学物理学院,沈阳;;[1]辽宁大学物理学院,沈阳;;[1]辽宁大学物理学院,沈阳;;[1]辽宁大学物理学院,沈阳;;[1]辽宁大学物理学院,沈阳;;[1]辽宁大学物理学院,沈阳;;[2]香港理工大学应用物理系,香港;;[3]香港城市大学生物及化学系,香港【正文语种】中文【中图分类】O4【相关文献】1.斯托克斯和反斯托克斯拉曼位移差与时间反演对称性 [J], 李遵云;陈东明;何天敬;刘凡镇2.相干反斯托克斯拉曼及相干反斯托克斯超拉曼光谱微观极化率张量元的简化方案-C∞v对称性 [J], WANG Yuan;ZHANG Zhen;GUO Yuan3.相干反斯托克斯拉曼及相干反斯托克斯超拉曼光谱微观极化率张量元的简化方案-C3v对称性 [J], 汪源; 张贞; 郭源4.光纤中的多级斯托克斯及反斯托克斯谱线 [J], 姚敏言5.六硝基蔗溶液的Vs（NO2）激发及弛豫过程的相干反斯托克斯拉曼光谱 [J], 储根柏;税敏;宋云飞;徐涛;谷渝秋;杨延强因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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% #&’ ’ ! Q " # " " % ’! % ’* &# 这里/ 是从能级)跃迁到能级#的能量$ % 可逆过程能达到的最大效率为" /$ 5是能级 L 6 VP 5 吸收能量 0$ 辐射 #与!之间的裂距’这样就可将上述过程简单地看作一个完整的冷却循环& ( ) " 每一次循环过程排出的能量为5 # ’ 能量5I/$ 然而$ 对于任何一个实际的激光制冷过程$ 还存在着基态和激发态之间的无辐射驰豫和多 光子跃迁等问题$ 因而还需要作进一步分析’ 5 A @ 6 @和 . % B @ E & &等考虑了无辐射驰豫的影 T 发现减小基态和激发态能级之间的跃迁能量能够提高制冷效率’然而$ 跃迁能量降低时无 响$ 辐射跃迁的几率明显增加’因此$ 对有效制冷的跃迁能量有着更多的限制’此外$ 多光子跃迁 这种限制与基质材料也有关系$ 其他产生加热的机制包括基质 的几率与光子能量有很大关系$ 材料的吸收! 材料不纯和晶格散射’假定没有来自周围环境的热负荷! 内在加热和制冷功率之 万方数据 间的平衡所施加的限制$ 可以推断出一些基质材料反斯托克斯制冷可达到的最低温度大约一
固体材料反斯托克斯荧光制冷的理论研究 及其最新进展
孙海生!印建平
# 华东师范大学物理系! 光谱学与波谱学教育部重点实验室! 上海 ! $ ) ) ) < !
摘!要! 简单讨论了激光制冷的循环过程 ! 本文首先回顾了反斯托克斯荧光制冷的历史发展!
及其制冷条件( 其次! 概述了反斯托克斯 , 反斯托克斯荧光制冷的热力学理论和热力学 6 L 6 @散射% 重点介绍了适用于各种制冷材料 # 如稀土离子掺杂玻璃% 半导体和晶体等 $ 反斯托克斯荧光 限制! 制冷研究的理论模型! 并简单讨论了激光制冷实验中各种测量温度变化的实验方法及其基本原 就反斯托克斯荧光制冷的一种最新应用及其前景进行了简单介绍与展望) 理)最后!
图! !制冷循环过程示意图
的较低子能级& 这一过程同样会破坏基态各子能级之间的热平衡! 于是又吸收声子! 再通过热 驰豫跃迁到基态的较高子能级! 这样就完成了一个循环过程"在这一循环过程中! 离子吸收了 一个波长为& 的泵浦光子! 放出了一个波长为& 从介质材料中带走的热量为! ) ( % 4的荧光光子 ! ) 通常要求在上述循环过程中多光子过程发生的几率接 ! ( & &"为了获得有效的激光制冷! 1 ?O 近于零" 事实上! 处于激发态的离子以一定的几率向基态跃迁! 图!中所示的荧光辐射跃迁几率并 不为# 为了通过反斯托克斯荧光散射获得净的制冷效应! 必须满足下列条件% * ) ) N"因此! # 必须有很高的量子效率 :! 这里量子效率定义为出射光子数目与吸收光子数目之比" 考虑到 荧光光子从介质材料中带走的热量 量子效率对制冷效应的影响! 当入射激光的能量为 / 时! ) !欲实现制冷必须满足 : 同时要求导致加热作用的无辐射驰豫几率非常 为/ :’ &( & & & 1 ?( 1 ?& 小! 只有这样才能使激光制冷效应大于加热效应& * 激发态多能级之间的能级间距最多为几个 ! 使得热平衡过程比辐射驰豫过程快得多"此外! 还存在材料对泵浦激光的吸收* 离子对荧 G ’! 光辐射的再吸收* 由于材料不纯造成的寄生加热和掺杂离子的浓度对量子效率的影响等因素! 这些因素对制冷效果都有着重要的影响"
第! <卷!第#期 ! ) ) "年*月 !
文章编号! " # # ) ) ) 8 ) 9 : ! ! ) ) " ) # 8 ) ) : * 8 ! <
物!理!学!进!展
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究及其最新进展(文章第一部分简单介绍了反斯托克斯 , 6 L 6 @ 散射及其荧光制冷的循环过 程与制冷条件% 第二部分讨论了反斯托克斯荧光制冷的热力学限制% 第三部分详细介绍了适用 于各种固体材料反斯托克斯荧光制冷的理论模型% 第四部分介绍了激光制冷温度的各种探测 技术及其基本原理% 最后! 文章就反斯托克斯荧光制冷研究的最新发展及其应用进行了简单介 绍与展望(
描述的三能级模型$ 制冷的泵浦对应于能量为 / 能 级) 输出储存器收集能级 ! #跃迁的泵浦激光$ ) ’ ’ 跃迁产生的荧光$ 可以认为荧光辐射在整个空间是 各向同性的’这里低温储存器是指掺杂离子所处的 基质晶格$ 晶格电场与离子耦合$ 产生间距为 5 的子 能级# ! $ ! ’0’* ’泵浦的热力学温度定义为 % / G I % " @# # &1 # !# " # 9
关键词! 反斯托克斯荧光制冷( 固体荧光材料( 激光冷却 中图分类号! ( ( K : ; ! ’ * : ; ! ’ ! : ; ! ’ * # !!!文献标识码!
) !引言
当介质辐射反斯托克斯荧光时! 出射光子的能量大于吸收光子的能量! 增加的能量来自于 对介质中声子的吸收! 因而导致介质温度的下降! 这一现象称为反斯托克斯荧光制冷)由于入 射泵浦光通常采用的是激光! 故上述反斯托克斯荧光制冷也称为激光制冷) 作为全新的制冷 技术! 固体材料激光制冷技术具有体积小% 重量轻% 无电磁辐射% 无振动% 无噪声% 工作寿命长等 优点! 因而在电脑芯片制冷% 光电探测器制冷% 传感器制冷等领域中有着广阔的应用前景) 早在# J ! J年! + 7 R @ B ? E R L 首先提出了利用反斯托克斯 , 6 L 6 @ 散射技术实现荧光材料激 T 光制冷的思想)此后! 人们就气体% 有机染料和固体材料等进行了激光制冷的理论分析与实验 研究! 但由于荧光材料效率及实验条件的限制! 其发展非常缓慢) 直到 # J J 9年 / B C E R @ 等人 M * I 采用掺杂 3 # 镱离子 $ 重金属氟化物玻璃 # $ 获得激光冷却温度降低 即 [ d Q a K ( + ) ’ * \#
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物
理
学
进
展
!
!
! <卷
X X X X X 在稳态运行时" 根据热力学第 # $ A /P /6 I :* P /R $ ) 4P 二定律$ 系统熵的变化应大于或等于零$ 即有 X :* X X " # A A * R& 6& ,) ’* X X X 如果定义通量温度 ’ % % 则可进一 /6 A /R A ’R 0X 60 6$ R$
万方数据
图# !光散射的三种基本过程
#期 !
孙海生等% 固体材料反斯托克斯荧光制冷的理论研究及其最新进展
: 9
! !激光制冷的循环过程及其制冷条件
由上述光散射过程知! 介质材料激光制冷的基本原理是由于反斯托克斯荧光辐射光子的 能量大于入射光子的能量! 通过光子辐射带走介质中的热能! 从而实现介质材料的激光制冷"
图: !三能级模型示意图
’$ %
输出荧光的热力学温度定义为 % " G I 5-/# # " < % " @ G ’* &1 # # I # )# 5% 式中# G ) 和# # 分别是基态 ) 和激发态子能级 # 的布居数 $ I 是玻耳兹曼常数 ’ 利用上面定义 的温度$ 制冷效率可以表示为
’ ! %
) 熵变化率用X 不可逆过 速率为X :* / 表示! A 表示! ’* !制冷机在温度 ’ 下的温度变化率可用X X X X X X 程熵产生的速率用A ’ ( /P / :* O /R # 4 表示 " 能量和熵的平衡方程为 % 6I 万方数据 X X X X X ) ’ ( ! A %A A A 6 -: * ’ *& R4
体材料激光冷却的实验研究及其最新进展详见文献# ( # 另一方面! 有关固体材料反斯托克斯荧光制冷的理论研究也取得了快速发展( 例如)
! * * 和a c E 7 @ 6 @ F E =等人提出了基于微扰理论的量子模型 # c 7 E % B ‘ 等人提出的三能级模型 # # $ # : K & 6 L % B 实验室提出了的能量平衡模型 (本文将重点介绍固体荧光材料激光制冷的理论研 # $ # $
步得到
’ ’ 熵通量示 X !激光制冷的能量通量流! " # 图* /6" R # :*" R # /R %X /6 -X :* : -X &X ’6 ’* 意图 X % O" ’R ’6# :* # 于是可得到制冷效率& ’ 在激光制 & "P X % /6 " ’R ’*# O # 冷实验中$ 入射激光的通量温度远远大于荧光辐射的通量温度$ 即有 ’ ’R (’* ’ 这样制冷 63 ’* ’显然$ ) # < 引入通量温度是为了方便与卡诺效率进行比较( ’ 效率的限制可简化为& "& ’R O’* 根据上述一般热力学模型$ 并考虑到如图 : 所
* !关于反斯托克斯荧光冷的热力学讨论
如果考虑泵浦激光和荧光辐射的能量通量和熵通量! 则根据热力学第二定律! 即可求得激 光制冷的最大效率"
X6 ! 荧光带走的能量和 如图* 所示! 假设从泵浦激光转移能量和熵的速率分别是X / 6 和A X X X 熵的速率分别是/R 和AR ! 制冷机从温度为 ’ 则负载的熵减少的 * 负载吸收热能的速率为:* !
* I 以3 离子掺杂玻璃为例! 反斯托克斯荧光制冷 [ $ # 9 循环过程如图!所示# % 首先通过调谐泵浦激光的波长
来激发处于基态的离子! 使离子从基态多能级的顶部跃 迁到激发态最下面的子能级! 造成该子能级分布过布 居! 破坏了激发态各能级之间的热平衡! 于是吸收声子! 通过热驰豫重新达到热平衡& 由于热驰豫相互作用时间 的数量级 ’ 远远小于辐射跃迁时间的数量级 @O# @( Q ( ! 故在辐射驰豫之前就已经达到热平衡& 然后处于 ’ < @ 激发态的离子通过辐射驰豫! 放出荧光光子跃迁回基态