Tm3+掺杂ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF-PbF2玻璃激光制冷中荧光再吸收效应的理论分析

    1. 引 言

    固体材料的制冷又称反斯托克斯荧光制冷，它的原理是某些特殊材料在特定的波长激发下，吸收低能量的激光抽运光子，辐射高能量的短波长荧光光子，能量差源于对介质热的吸收并以光辐射的形式带走． 这一过程似乎与我们的生活经验相违背．早在 1929 年，Pringsheim［1］提出了利用反斯托克斯Raman 散射对材料进行制冷的思想，后来 Landau 在理论上证明了该过程是不违反热力学第二定律的．1995 年，美 国 Los Alamos 国 家 实 验 室 的 Epstein等［2］成功实现了掺杂 Yb^{3 +}重金属氟化物玻璃 ZrF₄-BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF-PbF₂( ZBLANP) 的激光冷却，从而首次在实验上验证了上述固体材料激光冷却的思想． 随后文献［3，4］又先后报道了新的制冷离子Tm^{3 +}和 Er^{3 +}，也找到了多种制冷基体，包括玻璃、光纤、晶体等［5—7］． 该制冷技术与其他制冷方式相比具有无机械振动、无电磁辐射等优点，因此预测在很多领域( 特别是空间技术领域) 可获得应用，这也是一个非常有意义的前沿研究领域． 国内在该领域起步较晚，目前正在进行相关的理论研究和实验研究，并取得了一些成果［8—10］．

    虽然反斯托克斯荧光制冷的原理简单，可实验中想获得净的制冷会相当困难． 加热的原因主要包括外围环境和内在机理两个方面． 外围环境主要包括材料对环境的背景吸收、材料与支撑物之间的热传导等，实验中可通过把材料放在真空中并用很细的硅丝支撑来减少热传导，制冷样品的热负载主要源于周围环境的黑体辐射． 另一方面，加热机理来源于激光冷却的内在机制，它主要来自于材料的无辐射跃迁和荧光再吸收． 其中无辐射跃迁取决于所选择冷却材料的量子效率，而荧光再吸收不仅与材料本身有关，还与材料的几何形状等外部因素有关． 荧光再吸收会导致材料量子效率降低，使材料的平均荧光出射波长向长波方向移动，导致在大于平均波长的范围内材料对入射激光的吸收变小，不利于制冷． 因此，荧光再吸收是固体材料激光冷却中不可忽略的因素，目前关于掺杂 Yb^{3 +}材料的再吸收已有理论分析［11］，本文将以 Tm^{3 +} ZBLANP 玻璃材料为例，对荧光再吸收的加热机理作具体分析．

    2. 方 法

    通常情况下，用于反斯托克斯荧光制冷的材料都有很宽的吸收光谱和荧光光谱． 由于荧光光谱与吸收光谱存在一个重叠区域，能量高的光子也可能被吸收，从而导致多次吸收-辐射过程，这就是荧光再吸收的物理机理． 再吸收效应会使量子效率随着吸收次数按幂指数降低，从而导致荧光光谱的红移以及荧光寿命的增大．