固体激光制冷的基础理论
固体激光器原理
固体激光器原理固体激光器是一种利用固体材料作为工作物质产生激光的装置。
它具有结构简单、体积小、效率高、可靠性强等优点，在医疗、通信、材料加工等领域有着广泛的应用。
固体激光器原理是指固体激光器产生激光的基本物理过程和原理。
在固体激光器中，激光的产生是通过材料的受激辐射过程实现的。
下面将详细介绍固体激光器的原理。
固体激光器的工作原理主要包括三个过程，吸收、受激辐射和放大。
首先是吸收过程，固体激光器中的工作物质吸收外界能量，使得原子或分子处于激发态。
其次是受激辐射过程，当处于激发态的原子或分子受到外界激发能量的作用时，会发生受激辐射，产生与激发能量相同的光子，并且这些光子与外界激发能量的相位相同。
最后是放大过程，通过光学共振腔的作用，使得受激辐射的光子不断地在工作物质中来回反射，产生放大效应，最终形成激光。
固体激光器的原理中，工作物质的选择对激光器性能有着重要的影响。
常用的固体激光器工作物质包括Nd:YAG、Nd:YVO4、Ti:sapphire等。
这些工作物质具有较高的吸收截面、较长的寿命和较宽的工作波长范围，适合用于固体激光器的制作。
此外，激光器的光学共振腔结构也是固体激光器原理中的重要组成部分，它能够提供光学反馈，使得激光得以放大并输出。
在固体激光器的原理中，激光的输出特性是一个重要的参数。
激光器的输出特性包括波长、功率、脉冲宽度、光束质量等。
这些特性直接影响着激光器的应用效果和性能表现。
因此，在固体激光器的设计和制造过程中，需要对激光器的输出特性进行精确控制和调节。
总的来说，固体激光器原理是固体激光器产生激光的基本物理过程和原理。
通过吸收、受激辐射和放大三个过程，固体激光器能够产生高能量、高亮度、高单色性的激光。
固体激光器的原理为固体激光器的设计和制造提供了重要的理论基础，同时也为固体激光器的应用提供了技术支持。
随着科学技术的不断发展，固体激光器原理将会得到更深入的研究和应用，为激光技术的发展做出更大的贡献。
激光制冷的原理和应用实例
激光制冷的原理和应用实例激光制冷的原理激光制冷是一种基于激光的冷却技术，能够将物体的温度降低到接近绝对零度。
其原理基于反常的光致蒸发强迫冷却效应和多光子吸收机制。
反常的光致蒸发强迫冷却效应反常的光致蒸发强迫冷却效应是指当一个物体吸收激光光子时，由于光子能量的差异，物体从高能级跃迁到低能级的过程中会释放出更多的热量。
多光子吸收机制多光子吸收机制是指在较高光强的激光作用下，物体会吸收多个光子，这样可以将更多的热量转化为辐射能量，从而降低物体的温度。
激光制冷的应用实例激光制冷技术在几个领域中得到了应用。
1. 冷冻食物激光制冷技术可以用于冷冻食物，通过激光对食物进行冷却，可以快速降低食物的温度，保持其营养成分和风味。
此外，激光制冷还可以帮助延长食物的保鲜期，减少食物的损耗。
2. 医疗领域激光制冷技术在医疗领域中也有广泛的应用。
例如，激光制冷可以用于减轻疼痛和肿胀。
其原理是通过激光冷却组织，减少炎症反应，从而缓解疼痛和肿胀。
3. 电子设备散热激光制冷技术还可以用于电子设备的散热。
传统的散热方式通常是通过风扇或散热片来进行，但有时效果不佳。
而激光制冷技术通过激光照射热量较大的电子组件，迅速将其冷却，提高散热效果。
4. 材料科学研究激光制冷技术在材料科学研究领域中也有广泛的应用。
例如，研究人员可以使用激光制冷技术来冷却和控制材料的温度，从而研究材料的性质和行为。
5. 量子计算激光制冷技术在量子计算方面也扮演着重要的角色。
量子计算需要将量子比特冷却到接近绝对零度的温度，以避免量子噪声的干扰。
激光制冷技术可以提供高效的冷却方法，帮助实现量子计算的稳定性和准确性。
总结：激光制冷技术通过反常的光致蒸发强迫冷却效应和多光子吸收机制，可以将物体的温度降低到接近绝对零度。
在冷冻食物、医疗领域、电子设备散热、材料科学研究和量子计算等领域中得到了应用。
激光制冷技术的应用为这些领域带来了许多好处，同时也为激光制冷技术的研究和发展提供了更多的可能性和挑战。
固体激光器原理
固体激光器原理引言固体激光器是一种基于固体材料的激光器，它利用固体材料中的激发态粒子在受激辐射的作用下发射出一束相干的激光。
固体激光器具有高效率、高能量、高稳定性等优点，广泛应用于材料加工、医学领域、科学研究等方面。
本文将介绍固体激光器的原理以及其工作过程。
原理固体激光器的工作原理基于受激辐射的过程。
当固体材料被外部能量激发时，其原子或分子的能级结构发生改变，使得一些电子被激发到高能级，形成激发态。
这些激发态的电子在适当的条件下会发生跃迁回到基态，并释放出激光光子。
这个过程称为受激辐射。
固体激光器的关键部分是激光介质。
激光介质通常由具有激发态和基态之间能级跃迁的活性离子组成。
这些活性离子可以是稀土离子（如Nd3+、Er3+）或过渡金属离子（如Cr3+、Ti3+）。
在激光介质中，这些离子被激发到激发态，然后通过受激辐射过程发射出激光光子。
为了实现受激辐射和激光放大，固体激光器通常采用光泵浦的方式来向激光介质提供能量。
光泵浦可以通过闪光灯、半导体激光器或其他激光器来实现。
光泵浦的作用是将能量传递给激光介质，从而激发其中的离子跃迁到激发态。
一旦离子处于激发态，它们就会在受激辐射的作用下发射出激光光子。
固体激光器中的激光光子在两个镜子之间被反射，形成一个光学腔。
这个光学腔通过选择性反射，使得激光光子在腔内多次来回反射，逐渐放大。
这个过程被称为光学放大。
最终，激光光子从一个镜子中逃逸，形成一束相干、高强度的激光束。
工作过程固体激光器的工作过程可以概括为以下几个步骤：1.光泵浦：通过光泵浦的方式向激光介质提供能量，将其中的离子激发到激发态。
2.受激辐射：激发态的离子通过受激辐射过程发射出激光光子。
3.光学放大：激光光子在光学腔中多次来回反射，逐渐放大。
4.激光输出：激光光子从一个镜子中逃逸，形成激光束输出。
固体激光器的工作过程需要维持适当的能量供应和光学腔的稳定性。
光泵浦的能量需要满足激发离子到激发态的能量需求，而光学腔的稳定性可以通过优化腔内的补偿装置和调节器件来实现。
固体激光器的工作原理
固体激光器的工作原理
固体激光器是一种利用固体材料作为工作物质的激光器，它通
过激发固体材料中的原子或离子，使其产生受激辐射而产生激光。
固体激光器的工作原理主要包括激发、增益、反射和输出四个过程。
首先，固体激光器的工作原理涉及到激发过程。
在固体激光器中，通常采用激发源（如闪光灯、半导体激光二极管等）照射固体
材料，激发固体材料中的原子或离子，使其跃迁至高能级。
这种激
发过程会导致固体材料中的原子或离子处于一个高能级的激发态。
其次，固体激光器的工作原理还涉及到增益过程。
在激发过程中，固体材料中的原子或离子处于高能级的激发态，这时如果有入
射光子与其相互作用，就会引发受激辐射，从而产生激光。
这种受
激辐射会引起原子或离子从高能级跃迁到低能级，释放出更多的光子，使激光光子数目急剧增加，形成所谓的增益。
然后，固体激光器的工作原理还包括反射过程。
在固体激光器中，通常会设置一个光学反射器，用来反射激光。
这种光学反射器
可以将激光反射回固体材料中，使其在其中来回反射，增强激光的
增益效果。
最后，固体激光器的工作原理还涉及到输出过程。
在固体激光器中，设置一个输出镜，用来从激光腔中输出激光。
这种输出镜通常只透过一部分激光，反射大部分激光，使得激光可以从固体激光器中输出。
总的来说，固体激光器的工作原理是通过激发固体材料中的原子或离子，使其产生受激辐射而产生激光。
固体激光器的工作原理涉及到激发、增益、反射和输出四个过程，这些过程共同作用，使得固体激光器能够产生高能、高亮度的激光，被广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。
激光制冷
激光制冷一、激光制冷的原理激光的制冷原理就是要降低物体中分子的热运动.我们知道物体的温度与分子的热运动有关,分子运动月剧烈,则物体的温度就越高;反之,分子的热运动越慢,物体的温度就越低.激光是具有高能量的,就是因为它发出的光粒子都是往同一个方向的,所以这些粒子相当的集中(即单位空间内所含有的粒子数多),当有激光射入物体内时,由于激光的粒子相当多,使得物体内的微粒相当拥挤,它们几乎不能像原来一样乱到处"动弹"剧烈运动.从而降低了分子的热运动,能量从原子到光子的转换能使原子冷却到绝对温度零上的百万分之一度弱,物体的温度也就降低了.二、激光制冷的发展1975年，T.W.Hānsch和A.L.Schawlow首先建议用相向传播的激光束使中性原子冷却。
他们的方法是：把激光束调谐到略低于原子的谐振跃迁频率，利用多普勒原理就可使中性原子冷却。
1985年，华裔科学家朱棣文和他的同事在美国新泽西州荷尔德尔（Holmdel）的贝尔实验室进一步用两两相对互相垂直的六束激光使原子减速。
他们让真空中的一束钠原子先是被迎面而来的激光束阻碍下来，之后把钠原子引进六束激光的交汇处。
这六束激光都比静止钠原子吸收的特征波长长一些。
而其效果就是不管钠原子向何方运动，都会遇上具有恰当能量的光子，并被推回到六束激光交汇的区域。
从而在这个小区域里，聚集了大量的冷却下来的原子，组成了肉眼看去像是豌豆大小的发光的气团。
由六束激光组成的阻尼机制就像某种粘稠的液体，原子陷入其中会不断降低速度。
大家给这种机制起了一个绰号，叫“光学粘胶”。
但由于重力的作用，这一现象并为维持多久，因为其并未使原子陷俘。
1987年，磁光陷阱被做成，从而有了新的突破，它是用上述六束激光再加上两个线圈组成。
线圈产生微小变化的磁场，该磁场最小值处于激光相交的位置，由于塞曼效应。
就会产生一个比重力大的力，从而把原子拉回到陷阱中心。
从而原子被约束在一个很小的区域。
固体激光器基本原理以及应用
汇报人：
单击输入目录标题 固体激光器的基本原理 固体激光器的应用 固体激光器的发展趋势
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固体激光器的基本原理
固体激光器的组成
泵浦源：提供能量使激光介质产生 激光如氙灯、半导体激光器等
冷却系统：保持激光介质的温度稳 定提高激光器的性能和寿命如水冷、
风冷等
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技术进步：提高输出功率、降低能 耗、提高稳定性
研究热点：新型材料、新型结构、 新型工艺等
固体激光器的应用拓展势
医疗领域： 用于眼科、 皮肤科等 疾病的治 疗
工业领域： 用于切割、 焊接、打 标等加工 工艺
科研领域： 用于光谱 分析、激 光雷达等 科学研究
军事领域： 用于激光 武器、激 光通信等 军事应用
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激光介质：产生激光的物质如YG晶 体、Nd:YG晶体等
光学谐振腔：使激光在腔内反复反 射形成稳定的激光输出如反射镜、
全反射镜等
电源和控制系统：提供激光器的工 作电压和电流控制激光器的工作状
态如电源、控制器等
固体激光器的工作原理
激光产生：通过激发态粒子的受激辐 射产生激光
激光治疗：用于 皮肤病、肿瘤、 血管疾病等治疗
激光诊断：用于 皮肤病、肿瘤、 血管疾病等诊断
激光美容：用于 皮肤美容、整形 等美容项目
军事领域的应用
激光制导武器：利用激光精确 制导提高打击精度
激光通信：实现远距离、高速、 保密通信
激光雷达：用于探测、跟踪、 识别目标
激光武器：用于摧毁敌方武器 装备、设施等
增益介质：使用固体材料作为增益介 质如稀土离子掺杂的晶体
固体激光器的工作原理
固体激光器的工作原理
固体激光器是一种利用固体材料作为工作介质产生激光的装置。
它的工作原理是通过激发固体材料中的原子或分子，使其处于激发态，然后在激发态和基态之间进行能级跃迁，产生激光输出。
固体
激光器通常由泵浦源、固体激发材料和谐振腔三部分组成。
首先，固体激光器的泵浦源通常采用激光二极管或者弧光灯等
高能量光源，用来提供能量以激发固体材料中的原子或分子。
这些
泵浦源产生的光能会被聚焦到固体激发材料上，激发材料吸收光能后，内部的原子或分子就会处于激发态。
其次，固体激光器的固体激发材料是产生激光的关键部分。
常
见的固体激发材料包括Nd:YAG晶体、Nd:YVO4晶体、Nd:glass等。
这些材料在受到泵浦源激发后，内部的原子或分子会处于激发态，
形成激发粒子团。
最后，固体激光器的谐振腔是激光放大和输出的关键部分。
谐
振腔由两个反射镜构成，其中一个是部分透射的输出镜，另一个是
全反射的输入镜。
激发粒子团在谐振腔中来回多次反射，不断受到
激发和放射，最终形成激光输出。
综上所述，固体激光器的工作原理是通过泵浦源激发固体激发材料中的原子或分子，使其处于激发态，然后在谐振腔内进行能级跃迁，产生激光输出。
固体激光器具有结构简单、稳定性好、寿命长的特点，被广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。
希望本文能够帮助大家更好地了解固体激光器的工作原理。
激光制冷的原理
激光制冷的原理
激光制冷是一种利用激光与物质相互作用的原理，将物质从外部吸收的热量转化为激光辐射能量，使物质的温度降低的技术。
其原理如下：
1. 光吸收：使用特定波长的激光照射物质，激光能量会被物质吸收。
2. 激发：吸收激光能量后，物质的电子能级会发生激发，进入高能态。
3. 自发辐射：在经过一段时间的激发后，物质的电子会自发地从高能态跃迁到低能态，并释放出辐射能量（光子）。
4. 辐射冷却：释放出的光子具有辐射能量，会带走物质的一部分热量，从而使物质的温度降低。
5. 辐射传输：激光辐射能量会以光的形式传播出去，辐射到周围的环境中，从而完成与环境的热交换。
6. 循环过程：循环进行激发和辐射冷却的过程，不断将热量转化为光能量带走，从而实现物质的制冷。
需要注意的是，激光制冷的效果很大程度上取决于物质的吸收特性和材料的能级结构。
只有在特定的波长和特定的物质体系下，才能实现高效的制冷效果。
激光制冷的原理和应用视频
激光制冷的原理和应用视频一、引言激光制冷是一种利用激光来降低物体温度的新技术，具有广泛的应用前景。
本文将介绍激光制冷的基本原理和一些常见的应用场景。
二、激光制冷的基本原理激光制冷是通过利用激光与物质相互作用的原理来实现的。
具体来说，激光与物体之间发生的相互作用导致了物体内部的能量转移，进而使物体的温度下降。
2.1 光子吸收激光在物体表面吸收后，光子的能量会被物体吸收并转化为热能。
这一过程会导致物体温度的升高。
2.2 光束退火光束在物体内部传播时，会与物体内的分子碰撞，将能量转移给分子，并使其振动和旋转。
这个过程会导致物体内部的温度升高。
2.3 光学抽运光学抽运是指将激光的能量从一个频率转移到另一个频率。
这个过程可以用来实现物体温度的降低。
2.4 光子冷却光子冷却是通过激光对冷却剂施加辐射压力，使其内部分子运动减慢，从而使其温度降低。
这个过程可以用来实现物体的冷却。
三、激光制冷的应用场景激光制冷的技术在许多领域都有广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景。
3.1 原子物理实验在原子物理实验中，激光制冷可以用来冷却原子气体，从而减慢其内部分子的运动速度。
这对于研究原子的量子行为和原子钟的精确度非常重要。
3.2 生物医学研究在生物医学研究中，激光制冷可以用来冷却细胞或组织样本，以减缓其代谢速率。
这对于研究细胞内部的生物过程和药物的作用机制非常有帮助。
3.3 光学玻璃制造激光制冷可以用来冷却光学玻璃，从而使其内部结构更加均匀。
这样可以提高光学玻璃的光学性能，使其在光学器件中的应用效果更好。
3.4 量子计算机激光制冷可以用来冷却量子比特，从而降低量子计算机的误差率。
这有助于提高量子计算机的计算精度和可靠性。
四、总结激光制冷是一种前沿的技术，通过激光与物质的相互作用来实现物体温度的降低。
它在原子物理实验、生物医学研究、光学玻璃制造和量子计算机等领域都有重要的应用。
相信随着技术的不断发展和创新，激光制冷将在更多领域发挥重要作用。
固体激光器原理及应用
固体激光器原理及应用固体激光器的工作原理是利用固体材料中的能级结构。
固体材料的内部具有多个能级，激光的输出需要通过外部能级的激发使其过渡到更高的能级上，然后通过受激辐射和自发辐射实现能级的跃迁，最终产生激光的放大和输出。
固体激光器由三个主要部分组成：激发源、激光介质和光学腔体。
激发源可以是强光、电子束或其他外部能量输入，通过吸收激发固体材料中的原子或分子，使其能级发生跃迁。
激光介质是固体激光器的核心部分，它是由具有特定能级结构的材料制成，并负责产生和放大激光。
光学腔体用于实现光的反射和放大，其中包括光谱衍射镜片和输出耦合镜片。
固体激光器的应用非常广泛。
科学研究领域经常使用固体激光器进行实验和测量。
激光器的单色性和高功率输出使其成为科学研究中的重要工具，用于原子物理、光学和光谱学等领域。
在医学领域，固体激光器被广泛应用于激光手术、激光治疗和医学成像。
激光器的高度集中的能量和较小的束斑使其在精确手术中具有优势，例如近视矫正手术、皮肤去斑和脱毛。
固体激光器在通信领域也有重要的应用。
固体激光器可以作为光纤通信系统的光源，通过光学放大器放大信号，提高通信的传输距离和质量。
此外，在材料加工中，固体激光器的高功率和高能量密度使其成为切割、焊接和打标等应用的理想工具。
固体激光器可以通过调节输出功率和脉冲频率来满足不同的加工需求。
虽然固体激光器在各个领域都有重要的应用，但也面临一些挑战。
固体激光器需要高质量的晶体材料，并且需要定期进行冷却以保持较低的温度，以避免激光器的性能下降。
此外，固体激光器的体积较大，不利于便携和移动应用。
总之，固体激光器是一种应用广泛的激光器，其工作原理基于固体材料中的能级结构和光放大效应。
它在科研、医学、通信、材料加工等领域都有重要的应用，并通过不断的研究和创新，不断推动着各个领域的发展。
激光制冷的原理和应用
激光制冷的原理和应用激光制冷是一种基于激光与原子或分子相互作用的制冷方法。
它通过激光与物质相互作用，使物质的内能减小，从而降低物质的温度。
激光制冷不仅可以实现极低温度的制冷，还具有制冷速度快、精度高等优点，因此在物理学、量子信息、冷原子物理学等领域有着广泛的应用。
激光制冷的基本原理涉及到光压效应、光致冷效应和辐射冷却效应。
首先是光压效应。
物质被激光束照射后，光子会传递一部分动量给物质，从而产生光压效应。
如果物质处于一个均匀的光场中，吸收和发射光子的过程平衡，那么物质受到的光压平均为零。
但是，当物质处于非均匀的光场中时，例如激光束传播的光晕区域，光子受到散射的物质会受到向激光束中心的光压力，导致物质受到非均匀的力，从而产生制冷效应。
其次是光致冷效应。
物质在光场中通过吸收和发射光子的过程中，会受到光场的作用力，从而改变其动量和内能。
光致冷效应利用了光子的辐射压力，通过选择合适的光场参数，可以将吸收光子过程中产生的热能转化为动能，并将动能与光场作用的能量差传递给发射光子的舰船物质，使得物质的动能减小，达到冷却的目的。
最后是辐射冷却效应。
物质在辐射场的作用下会发生自发辐射的过程。
如果物质处于一个辐射场中，且物质的发射光谱落在辐射场的上升支上，那么物质的自发辐射会导致物质的内能减小。
因此，通过选择合适的辐射场和物质的发射光谱，可以实现物质的冷却。
激光制冷的应用十分广泛。
首先，在物理学研究领域，激光制冷被广泛用于研究低温物理学和量子物理学。
通过激光制冷，可以实现原子和分子的凝聚态行为的研究，例如玻色爱因斯坦凝聚和费米准确凝聚等。
此外，激光制冷也可以用于制备冷原子钟、制备量子比特等研究。
其次，在生命科学领域，激光制冷也有广泛应用。
例如，在生物学研究中，激光制冷被用于冷冻细胞或组织，以减小细胞或组织在解冻过程中的损伤。
此外，激光制冷也可以用于显微镜成像中，通过冷却样品，提高成像的分辨率和信噪比。
此外，激光制冷还可以应用于精密测量和控制领域。
激光制冷
1997年诺贝尔物理学奖授予美国加州斯坦福大 学的朱棣文（Stephen Chu，1948—），法国
巴黎的法兰西学院和高等师范学院的科恩－塔 诺季（ClaudeCohenTannoudji1933—） 和美国国家标准技术院的菲利普斯（William D.Phillips1948—）（上图依次从左到右），以
基本原理：
通过激光发出光子来阻碍原 子的热运动，而这个阻碍过 程则是通过减小原子的动量 来实现的。
补充：量子力学提出，原子只能吸收特定 频率的光子，从而改变其动量。 多普勒效应指出，波在波源移向观察者时 频率变高，而在波源远离观察者时频率变 低。同样，对于原子也是如此，当原子的 运动方向与光子运动相反时，则此光子的 频率将增大，而当原子运动方向于此光子 运动方向相同时，则此光子频率将减小。
用激光束照射原子
激光器频率略小于原子受激频率
与原子运动方向同向
与原子运动方向反向
原
理
光子频率减小
图
光子频率增加
光子不被吸收
光子被吸收
原子动量不变
原子动量减少
原子运动速度减小，温度降低
反斯托克斯荧光制冷技术
原理：
利用散射与入射光子的能量差来实现制冷。用低能量的激光光子 激发发光介质，发光介质散射出高能量的光子，将发光介质中的 原有能量带出介质外，从而产生制冷效应。
1985年，华裔科学家朱棣文和他的同事在美国新泽西 州荷尔德尔（Holmdel）的贝尔实验室进一步用两两 相对互相垂直的六束激光使原子减速，其被称之为 “光学粘胶”。聚集了大量的冷却下来的原子，组成 了肉眼看去像是豌豆大小的发光的气团。这一现象并 为维持多久，因为其并未使原子陷俘。
俘获
1987年，由于利用磁光陷 阱，有了新的突破，它是 用上述六束激光再加上两 个线圈组成。线圈产生微 小变化的磁场，该磁场最 小值处于激光相交的位置， 由于塞曼效应。就会产生 一个比重力大的力，从而 把原子拉回到陷阱中心。 从而原子被约束在一个很 小的区域。
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。
固体激光器和其调Q工作原理
V
4
=
4n03
，为晶体两端所加调Q电压。
• 电光晶体应满足下列条件：消光比高；透过率高、透光范围大； 半波（四分之一波）电压低；抗破坏阈值高；晶体防潮等。
• 常用电光晶体：
KDP磷酸二氢钾
BBO硼酸钡
LN铌酸锂
LGS硅酸镓镧
RTP磷酸钛氧铷
声光调Q
固体激光器及其调Q工作原理
激光器的简介
• 发展历程 • 特点 • 应用
激光器的原理
• 构成 • 分类 • 产生机制
调Q工作
• 电光调Q • 声光调Q • 饱和吸收调
Q
发展历程
1916年，爱 因斯坦受激 辐射理论
1952年，实 现粒子束反
转
1953年，第 一台微波粒
子放大器
1960年，红 宝石激光器
问世
1960—，氦 氖激光器、 半导体激光 器等相继出
现
特点
方向性 好
单色性 好
激光的 特点
相干性 好
亮度高
应用
激光器旳构成
• 泵浦——提供能量 • 工作物质——受激辐射，产生激光 • 谐振腔——光放大、选模
激光器旳分类
• 红宝石、 Nd:YAG
固体激 光器
气体激 光器
• 氦氖激 光器、
CO2
电光调Q
Q调 制
声光调Q 饱和吸收调Q
转镜调Q
色心调Q
电光调Q
nx '
n0
1 2
n03
Ez
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高功率固体激光器冷却技术
高功率固体激光器冷却技术
高功率固体激光器是目前工业、医疗等领域广泛应用的重要设备
之一。
然而，随着激光功率不断提升，激光器的温度也相应上升，需
要采用高效的冷却技术来维持设备运行的稳定性。
目前，常用的固体激光器冷却技术包括水冷和风冷两种。
水冷利
用水的高热容和热导率，通过流动的水循环冷却激光器内腔，可实现
较高功率的冷却效果。
风冷则通过强制对流的方式，将空气吹入激光
器内腔，以降低其温度。
相比而言，水冷可以实现更高的冷却效率，
但在安装和维护上较为繁琐，且对水质要求较高；而风冷则操作简单，但冷却效率相对较低，限制了其在高功率激光器上的应用。
除此之外，还有一些新型的激光器冷却技术也在不断涌现。
例如，利用基板上的微通道和换热器实现的微渠道冷却技术，不仅能够实现
高效的冷却，还可以减小设备体积和重量，提高设备的集成度和稳定性。
此外，使用液态氮或液态氢等低温介质来冷却激光器的低温冷却
技术，也在一些高端应用领域得到广泛应用。
总的来说，冷却技术是决定高功率固体激光器性能和寿命的关键
因素之一。
随着技术的不断发展，我们可以期待更加高效、稳定的固
体激光器冷却技术的出现。
激光制冷原理
激光制冷原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊激光制冷原理这神奇的玩意儿。
你说这激光咋还能制冷呢？这可不像咱平常想的，激光那不是很厉害很热的东西嘛，咋就和制冷搭上关系啦？别急，听我慢慢给你唠唠。
咱可以把这个激光制冷想象成一场特别的游戏。
就好比一群小朋友在玩捉迷藏，光子就是那些调皮的小朋友。
激光呢，就像是一个特别有魔力的指挥棒。
在普通情况下，这些光子小朋友们到处乱跑，热热闹闹的，就使得物体的温度升高啦。
但当激光这个神奇的指挥棒出现后，情况就不一样咯！它可以让这些光子小朋友们排好队，按照特定的方式运动。
你看啊，激光能精确地控制光子的状态和运动方向。
这就好像是把那些调皮的小朋友都训练得乖乖的，让它们别瞎捣乱。
而且呢，通过一些巧妙的设计和操作，激光能让光子带走物体的一部分能量，这不就相当于给物体降温了嘛！比如说，有个东西热得不行，就像大夏天在太阳下晒了好久的石头。
这时候激光来了，它指挥着光子们把石头上的热量一点点带走，嘿，石头就慢慢凉快下来啦！是不是很神奇？咱再深入一点说，激光制冷可不仅仅是好玩，它还有着大用处呢！在很多高科技领域，像什么量子计算啦、精密测量啦，都离不开它。
就好像一个厉害的秘密武器，能解决很多难题。
你想想，如果没有激光制冷，那些超级精密的仪器可能因为温度的一点点变化就出问题啦。
但有了它，一切都变得稳稳当当的。
而且啊，科学家们还在不断研究和改进激光制冷技术呢。
说不定以后它能给我们带来更多的惊喜和突破。
哎呀，这激光制冷原理可真是太有意思啦！它让我们看到了科学的奇妙之处，也让我们对未来充满了期待。
所以啊，可别小瞧了这看似不起眼的激光制冷，它说不定哪天就会在某个重要的地方大放异彩呢！让我们一起期待它带给我们更多的精彩吧！。
激光冷却法原理
激光冷却法原理激光冷却法的基本原理是光压在光的传播路径上会对物质产生一定压力称之为光压在进行冷却的时候用多束激光从不同方向照射目标体使其粒子受到光压的作用以阻止其热振动以达到冷却的效果，激光冷却法是现在最先进的冷却方法之一，可以打到非常接近绝对零度的超低温。
众所周知，激光是高功率的光束，它能产生高温，因而有激光手术、激光焊接等应用。
但是激光居然还能用来冷却，而且可以冷却到绝对温度百万分之一度以下，却似乎有点不太好理解。
激光冷却涉及到多个物理原理，概括起来主要有光的多普勒效应、原子能级量子化、光具有动量。
另外，激光的高度单色性和可调激光技术也非常重要。
光的多普勒效应是指，如果你迎着光源的方向运动，观察到光的频率将会增加；如果背离光源方向运动，观察到的光的频率将会降低。
原子可以吸收电磁辐射的能量，使其本身的能量升高；也可以释放出电磁辐射，同时自身的能量降低。
原子的能级量子化，是指原子只能吸收和放出某些特定频率的电磁波。
按量子理论，电磁波的能量只能以某种不可分割的单位--能量子--与别的物质相作用。
而每一份能量子所含的能量正比电磁波的频率，所以，只吸收和释放某些特定频率的电磁波，就意味着原子的能量只能取某些特定的值，故称为能级量子化。
光与其它实物粒子一样，也具有动量。
当一个原子吸收一份电磁波的能量子(即光子)时，它同时也获得了一定的动量。
光的动量与光的波长成反比，方向与光的传播方向相一致。
现在假设某种原子只吸收频率为f0的电磁波。
如果我们把激光的频率调在略小于f0的频率上(可调激光技术可以让我们精确地调节所需激光的频率)，并把这样一束激光射在由那种原子组成的样品上，将会发生什么现象呢？我们知道，在高于绝对零度的任何温度下，组成样品的原子都在作无规则的热运动。
当其中某个原子的运动方向指向激光的光源时，由于多普勒效应，在这个原子看来激光的频率会略高一些。
因为我们把激光的频率调在略低于f0，多普勒效应可以使得飞向光源方向的原子看到的激光频率正好等于f0。
固相物质的激光冷却
固相物质的激光冷却 人类的祖先早在数十万年前就学会了使用火.先是用火照明、取暖、烧饭,后来又掌握了用火烧制陶瓷,冶炼金属和制造工具.进入18世纪,人类开始大规模地开采化石燃料,用于生火、作功、发电.与上述热能利用的悠久历史相对照,人工制冷技术的发明至今才有160多年的历史.这一反差部分地可以归因于自然界普适的热力学第二定律.制冷过程需要通过对制冷剂作功,达到从低温端吸热并向高温端放热的目的.而这样一个过程在自然界中不会自发产生.制冷技术的发展在20世纪曾使全世界受益.今天,当人类步入信息化时代,各行各业对制冷技术提出了更高的要求.这其中的一个重要方面是对固态电子芯片以及敏感器的冷却.对此,激光制冷由于它没有运动部件并且无噪声而被认为是最佳的候选技术之一.朱棣文等对中性碱金属原子气所实施的激光冷却,是利用光子与气态原子的对撞来降低原子无规热运动的速度.本文所要介绍的固相物质激光冷却,则是基于离子吸收低能光子而后发射高能光子的可能性,即反斯托克斯荧光制冷.在美国洛斯・阿拉莫斯国家实验室,寻找有关制冷材料的研究已经持续了多年.1995年,R.I.E pstein等发现了第一种荧光制冷材料———镱离子(Y b3+)掺杂的重金属氟化玻璃Z BLANP(Z rF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF-PbF2).最近,美国新墨西哥大学的H oyt等与E pstein合作又找到了第二种反斯托克斯荧光制冷材料———铥离子(T m3+)掺杂的Z BLANP玻璃.专家预测,此次成功很快将引起商业方面的兴趣.T m3+的电子组态是4f12,按照洪德定则,对于l i=0,±1,-2,-3轨道,每轨道有s i=±12两个自旋态;但对于li =2,3轨道,每轨道只有s i=12单一自旋态.于是离子基态2S+1LJ=3H6,其中左上角的数字3=2S+1,L=5,J=L+S=6.作为发光中心, T m3+离子的激发态依次是3H4,3H5和3F4.H oyt等的研究表明,最佳的制冷效果所援引的能级主要是3H6和3H4,二者之间的波数差约为6000cm-1.在晶体场的作用下,3H6和3H4进一步各自产生斯塔克分裂,从而导致能级的非均匀展宽,各自成为多重态(注:为了叙述上的方便,以下将简称3H6多重态和3H4多重态为基态和激发态).选择波长合适的激光(例如,λ=119μm)抽运高纯度玻璃样品中的T m3+离子,离子能态将从基态(3H6)顶跃迁至激发态(3H4)底.此刻,无论是在基态还是在激发态,玻尔兹曼平衡分布均被打破:基态顶布居不足,而激发态底布居过剩.假定基态和激发态的斯塔克展宽ΔE与由环境温度决定的热骚动能量k B T相当,则无论是在基态多重态内还是在激发态多重态内,热平衡均要求顶能级与底能级的布居数之比N顶/N底=e-ΔE/k B T～e-1.上述λ=119μm的入射抽运对Tm3+离子产生的影响,均是使N顶/N底< 1/e(注意,这种对平衡分布的偏离,其方向与激光物理中的“粒子数反转”相反,后者需要通过放出能量恢复热平衡),而为要恢复到N顶/N底=1/e,Tm3+离子需从周围的环境(即玻璃基体)吸热,结果导致玻璃降温.至此,制冷循环并没有完成.入射抽运的另一个效果是使激发态的平均布居增加,而使基态的平均布居减少(此时,类似于“粒子数反转”),从而增加了Tm3+系统的熵.这个熵增的排出是通过从激发态到基态的荧光发射.接下来的3H4→3H6的荧光过程并不是发生在激发态底和基态顶之间,而是援引两个展宽了的多重态中的各个能态.因此,平均来讲,反斯托克斯荧光过程的辐射跃迁光子能量将大于抽运跃迁的光子能量.或者说,辐射波长(例如λf=1182μm)比抽运波长(λ=119μm)短.从熵流的观点看,正是指向空间所有方向的荧光发射带走了T m3+系统因激光抽运所增加的熵.至此,T m3+离子的熵才恢复了原状.Z BLANP玻璃作为T m3+的基体获得了冷却,而包围样品的真空室器壁却因接受了荧光辐射而被加热.在上述制冷过程中,抽运激光提供了外力功,熵从Z BLANP玻璃(低温端)转移到了真空室器壁(高温端).在H oyt等的实验中,频率可调的入射光源是一台光学参量振荡器,后者由商品Nd∶Y AG激光器同步抽运.玻璃样品对入射光子的吸收率正比于样品的厚度.在此次实验中,样品厚度是5mm,吸收率是113%.这就是说,当入射光功率为3W时,只有・58・30卷(2001年)12期40mW被T m3+离子吸收.在最佳参数的条件下,功率3W的单次抽运使样品温度降低了112℃.这相当于-30℃/W的峰值制冷效果(注:这里的W是指被T3+m吸收的功率).按照传统的定义,制冷系数等于冷却功率对输入功率的比.对于荧光制冷循环,以光子频率(或波长)表示,η=νf-νν=λ-λfλf,(1)其中下角标f专指荧光,而ν和λ对应抽运光.这个公式给出了制冷系数的上限.光子能量差h(νf-ν)是热能k B T量级.因此, hν越小,η越高.在E pstein1995年的实验中,Y b3+离子的hνf≈hν≈1125eV(近红外);在H oyt等的实验中,T m3+离子的hνf≈hν≈0174eV(中红外).显然,H oyt等所找到的是一种更有效的荧光制冷材料.为了在实际装置中获得尽量接近(1)式的效率, H oyt等指出了应予以关注的一些问题.例如,应避免由无辐射衰变所导致的荧光猝灭.事实上,在H oyt 等的实验中,每吸收100个抽运光子,至少辐射出99个荧光光子,即荧光量子产率已大于99%.为了进一步提高抽运光束单次通过的峰值冷却效果,可以采取提高T m3+掺杂浓度、减小样品表面积和减小真空室壁的热发射率等措施.此外,还可以令样品处于镜面腔中,让抽运光能多次通过样品,借助于增加光程,以提高样品对入射光的吸收率.参考文献[1]H oyt C W et al.Phys.Rev.Lett.,2000,85:3600[2]Rumbles G.Nature,2001,409:572[3]秦伟平等.物理,1998,27:323[Qin W P et al.Wuli(PHysics),1998,27:323(in Chinese)](中国科学院理化技术研究所 戴闻)・信息服务・美国伦斯勒理工学院招生信息Troy,New Y ork,U.S.A.Augus t,2001 J OIN OUR GRADUAT E SCHOOL IN PHY SICSPh.D.in Department of Physics,Applied Physics,and AstronomyAreas of research:Astronomy,Elementary Particles Physics,Origins of Life,THz Imaging,THz Electronics,Nano2Particles Physics.T eaching,research assistantships,and fellowships are available.Application:http:ΠΠw w ΠdeptΠgrad2servicesΠI nformation:http:ΠΠw w ΠdeptΠphysΠEmail:gradphysics@・68・物理。
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能级 ； 尽 量 选 择 的 激 光 波 长 在 吸 收 光 谱 的 红边 ， 能 够 有 利 于进
行 反 斯 托 克 斯 荧 光 辐 射
３ 固体激光制 冷的发展现状及应用前景
在 全 固 态光 学制 冷 方 面 ．将 光 学 制 冷技 术 努 力 向 超 低 温
领 域发 展 ， 而 且 获 得 许 多创 造 性 成 果 。相 比 于玻 璃 基 质 材 料 ，
这 个 结 果 奠 定 了激 光 制 冷 的 理 论 基 础［ ２ １ 。直 到 １ ９ ６ ０年 ， 激光 制
条件 ： 材 料 要 有发 光 中心 ； 激发 光具有 长波长 ， 辐 射 光 具 有 短
波 长； 要 求介 质 的 能 级 间距 宽 一 些 ， 纯度 高一些 ， 能 够 抑 制 无 辐 射 跃 迁导 致 的 热 效 应 ：基 态 及 激 发 态具 有 间 距 较 小的 劈 裂
态 中较 高 能 态 的 上 能级 ， 再 进 行 第 一 个过 程 。 这样 。 每 次经过 一个激发 跃迁 ． 辐 射 退 激发 过 程 的循 环 的 激发 光 子 能 量 大 ，能 量 差 也 就
是基质 的声子能量 ｈ ｖ ｗ ｈ ｖ ，且 被 辐 射 出 固体 材 料 的 荧 光 光 子 带走 ， 实现 制 冷 效 应 。 同时 ， 激 光制 冷 的介 质 材料 要 具 备 几 个
激 光 制 冷 但 是 ． 当这 个概 念被 提 出时 ， 就 遭 到 了 ３时 ＇ － 众 多学
者 的 强 烈 质疑 ．质 疑 焦 点 主 要 是 该 制 冷机 制 是 否 违 背 热 力 学
第 二 定 律 。直 到 １ ９ ４ ６年 ， 著名物理学家 Ｌ ａ ｎ ｄ ａ ｕ证 实 了这 个 问 题． 用热动力学的原理去分析被光照射物体 的热力学行为 ， 研 究 对 象为 发 光 物 体 和 光 组 成 的 系统 ， 并 引入 辐 射 熵概 念 ， 证 实 了 以 激发 辐 射 有 单 一 的 方 向和 很 窄 的 带 宽 来 实 现 激 光 制 冷 ，
冷 因 为激 光 器 的诞 生 而 更具 发展 前 景 ，带 有 这 样 狭 窄光 谱 功
率分 布 的激 发 光 能 够被 用 于 实现 有 效 的 激 光 制 冷 。在 光 学 制
冷 中， 因激 光 近 似 为 零 的 熵 值 ， 单 色性 好 ， 相 干度 高的 特 性 ， 可
作 为 理 想 激 发 光 源
术领 域 具 有 非 常 广 阔 的应 用 背景 。 介 绍 了超 辐 射 制 冷 的历 史 背 景 ， 以半 经 典理 论 和 辐 射 热平 衡 理 论 为基 础 ， 为 分析 激 光制 冷 特 性 提供 了理 论基 础 。
【 关键词 】 激光制冷 ； 半经典理论 ； 固体介质
【 中图分类号 】 Ｔ Ｂ ６ ６
２ ０１ ５年 ｌ １月 下
固体 激 光 制 冷 的基 础 理 论
杜佳 琪 （ 哈尔滨工程大学）
【 摘 要】 固体 介质的激光制冷是激光与固态物质相互作用 ， 借助于 光辐 射的形式移 除固态基质 中的声子能 ， 从而达到冷却 固体材 料温度的 目
的。固体激光制冷是一种全光学制冷技术 ， 具有无振动、 无噪声、 无 电磁污染等独特优势 ， 因此 ， 在 电子芯片制冷及航天航空探测器 件的制冷技
域 的 重 大 新 方 向 。 激 光 净 制 冷 首 次 在 新 的玻 璃 材 料 Ｙｂ “： ＢＩ Ｇ
镜 结 构 使得 泵 浦 光 在 晶 体 中 能够 往 返 多重 吸 收 ．进 而 来提 高 泵 浦 光 的 吸 收 效 率 ．也 可 以采 用 光 纤 状 介 质 结 构 加 长光 程 实
晶 体基 质材 料 普 遍 拥 有 较 低 的 声 子 能 ，并 且 稀 土 掺 杂 晶体 材
料 具 有较 高 的吸 收截 面 ， 对 超低 温制 冷更 有 利 。２ ０ １ ３年 。 新 加
激 光 器 诞 生 以后 ．很 多科 学 家将 它应 用到 反 斯 托 克斯 荧 坡 南 洋理 工 大 学教 授 Ｑ ｉ ｈ ｕ ａ Ｘ ｉ ｏ ｎ ｇ领 导 的科 研 小组 首 次 在 实 光 研 究上 。 １ ９ ７ ５年 ． Ｔ ｈ ｅ ｏ ｄ ｏ ｒ Ｗ． Ｈ ａ ｎ ｓ ｃ ｈ等人 首 次提 出 ， 气 态 原
【 文献标识码 】 Ａ
【 文章编 号】 １ ０ ０ ６ — ４ ２ ２ ２ ｛ ２ ０ １ ５ ） ２ ２ － ０ ２ ３ ５ — ０ １
ｌ 激 光 制 冷 的 研 究 背 景
１ ９ ２ ９年 ． 德 国物理 学 家 Ｐ ｅ ｔ ｅ ｒ Ｐ ｒ ｉ ｎ ｇ ｓ ｈ ｅ ｉ ｍ 首次提 出 ， 通 过 物 质 与 其 相 互 作 用 产 生 荧光 辐 射 来进 行 系统 制 冷［ ” ， 他 预 言 这 个 系统 辐 射 的 光 子 能 量 大 于吸 收 的 光 子 能 量 ，此 过 程 被 称 为
验 上 获得 了半 导体 材 料 的 ４ ０ Ｋ 净制 冷 ．这 一 突破 性 成 果 在 固
子 物 质激 光 制 冷 可 以 通 过 多 普 勒 频移 效应 来 实现 ｌ 引 。１ ９ ９ ５年 ． 体激光制冷领域具有里程碑性的意义＿ ５ ］ 。近年来 ． 为 了提 高 固 在 实 验 中激 光 制 冷 得 到 了 巨大 的 突破 ， 美 国Ａ ｌ ａ ｍ ｏ ｓ国 家 实 验 体 激 光 制 冷 效 率 ． 人 们 创 新 性 地提 出 了很 多新 的制 冷 方 案 因 室的 Ｅ ｐ ｓ ｔ ｅ ｉ ｎ等 人 ． 首 次 在 固体 材 料 中通 过 激 光诱 导反 斯托 克 为 制 冷 样 品 对 泵 浦 光 的 吸 收 有 限 ．所 以 可 以采 用 包层 和 反 射 斯 荧光 获 得 净 制 冷 。 实现 高 纯度 Ｙ ｂ 离子 掺 杂 Ｚ Ｂ Ｌ Ａ Ｎ 玻 璃 （ Ｙ ｂ ３ ＋ ： Ｚ Ｂ Ｌ Ａ Ｎ） 的 激 光 制 冷 。２ ０ ０ ０年 ． 标 志 着 固体 光 学 制 冷 领