论文摘要
用波长较长的泵浦光在材料中激发出波长较短的荧光,利用该反斯托克斯荧光（Anti-Stokes Fluorescence）使材料降温,这一过程称为荧光致冷（FluorescenceCooling）。本文分为两部分,第一部分研究掺镱固体荧光致冷原理与实验方法,第二部分研究掺镱激光增益介质辐射冷却理论。主要内容如下:一、掺镱介质荧光致冷原理与实验研究分别从光谱和熵的角度对荧光致冷的机理进行了阐述,推导了荧光致冷效率的表达式及其热力学上限。对掺镱介质荧光致冷性能进行分析,对泵浦光波长进行优化。测量了Yb3+∶KGW和Yb3+∶KLuW晶体的偏振吸收光谱和偏振发射光谱,以及掺镱磷酸盐玻璃的吸收光谱和发射光谱。利用倒易法和F-L（Fuchtbauer-Ladenburg）公式相互补充、校验,分别计算吸收截面和发射截面。结果表明:两种掺镱晶体的吸收截面及发射截面比掺镱磷酸盐玻璃的截面约高一个量级。利用测得的吸收和发射光谱数据,以绝对致冷效率（Absolute Cooling Efficiency）为判据,对泵浦光波长进行了优化,计算结果为:两种国产掺镱晶体的最佳泵浦波长在1022nm附近,最佳偏振方向为E//m（致冷效率计算值为1.68%）,在1W泵浦功率下,两种国产掺镱晶体的致冷功率计算值约为24～26mW（E//m偏振）,掺镱磷酸盐玻璃的致冷功率计算值约为1.9mW。对荧光自吸收效应进行分析与计算。介质中的荧光自吸收（荧光捕获）效应使出射的平均荧光波长变长、外量子效率降低,导致致冷效率降低。本文利用蒙特卡罗方法分析了掺镱磷酸盐玻璃的荧光自吸收效应。利用Fluorolog Tan 3-21型荧光光谱仪测量了厚1mm和3mm的样品（直径10mm）的侧向荧光和后向荧光,结果表明:蒙特卡罗计算得到的荧光谱线轮廓与实验曲线基本一致。设计掺镱晶体的荧光致冷验证性实验。以10ns级脉冲可调谐OPO激光为泵浦源,采用傅立叶变换光谱步进扫描（Step-scan）技术测量了厚度为1～2mm样品的热辐射光谱,得到了国产Yb3+∶KGW和Yb3+∶KLuW晶体的半定量荧光致冷测量结果。利用上述光谱测量方法,得到了固体荧光冷却过程的时域演变曲线。而文献报道的荧光致冷测量方法（光热偏转法、荧光法等）受原理上的限制,得不到热辐射光谱随时间演变的测量结果。二、掺镱激光介质辐射冷却理论泵浦源向固体激光增益介质提供产生激光所需能量的同时,在介质中产生无用热,限制激光器的输出平均功率,同时导致激光光束质量下降。为了持续发光,并改善光束质量,必须及时从激光增益介质中去除无用热。以荧光辐射的方式直接从增益介质内部移出热量,是激光器热管理的一条新的技术途径。提出了一种激光发光与荧光冷却交替运行的调Q激光器模型。该激光器的基本原理是:利用Q开关关闭时的荧光致冷效应,抵消产生Q开关激光脉冲时所沉积的热量,以间歇式冷却方式使增益介质中的热沉积趋近于零。利用准二能级速率方程,对Yb3+∶KGW调Q激光器进行了模拟计算,得出了实现间歇式辐射冷却所需的介质参数和泵浦条件。这种冷却方式迄今未见国内外有相关报道。对辐射平衡激光器（Radiation-Balanced Laser）的原理与单元技术进行研究。推导了实现辐射平衡运转时泵浦光、激光强度与增益介质以及谐振腔参数之间满足的关系式。利用速率方程理论及材料的吸收、发射截面数据,以小信号增益系数和转换效率为目标函数,对辐射平衡激光器的泵浦光、激光波长及偏振态进行了优化计算。结果表明:对于5%掺杂Yb3+∶KGW晶体,辐射平衡运转时的最佳泵浦光波长为1001nm、偏振态为E//m,最佳激光波长为1039nm、偏振态为E//p（b）,该晶体发射的反斯托克斯荧光（平均波长995nm）起辐射致冷作用。根据辐射平衡激光器低热泵浦的需要,建立了二极管巴条—空心导管—增益介质一体化耦合计算模型,计算了增益介质内部泵浦光功率密度的三维分布。以传输效率为目标函数,对空心导管进行设计和优化。角谱传播法和速率方程结合,计算了Yb3+∶KGW激光器中自再现模的形成过程。分析了激光起振时的弛豫振荡现象,得出了激光光斑分布的时变过程。本文关于荧光致冷机理和掺镱激光介质辐射冷却技术的研究结果,对研制低内热固体激光器具有指导作用。
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