绿光LD诱导两种反斯托克斯荧光并行制冷的掺铒玻璃材料与基础物理问题研究

目前，稀土掺杂固体材料激光制冷研究普遍采用稀土离子第一激发态能级的反斯托克斯荧光实现。然而，由于不同斯塔克能级间的跃迁几率差别不大，加之泵浦波长在红外区，容易发生基质缺陷或杂质吸收产生热效应，因此制冷效率很难进一步提高。针对这一问题，本项目提出以Er3+作为激光制冷中心，利用绿光LD诱导Er3+的4S3/2和2H11/2两个激发态能级到基态能级的跃迁实现两种反斯托克斯荧光并行制冷的方案，探索高制冷效率的Er3+掺杂激光制冷玻璃材料和制冷物理规律。项目拟通过实验探索实现高效激光制冷的Er3+掺杂玻璃材料，系统研究各种因素对制冷效率的影响，揭示利用4S3/2和2H11/2能级实现激光制冷的实验规律，最终实现高效反斯托克斯荧光制冷。该项目的开展，将对全固体、小型化、高效率激光制冷器的研制提供新方法和实验基础，同时对深入理解和认识光与物质相互作用的物理本质和实验规律具有重要的科学意义和学术价值。

稀土掺杂固体材料在实现激光制冷方面具有明显的优势，备受科研人员的关注。本项目选取Er3+作为制冷中心，提出利用绿光半导体激光器泵浦，通过Er3+的4S3/2和2H11/2两个激发态能级实现反斯托克斯荧光制冷。项目的主要研究成果如下：.1、制备了Er3+掺杂锗碲酸盐玻璃材料，研究了其实现激光制冷的可能性及温度传感特性。利用Judd-Ofelt理论研究了Er3+的光学跃迁性质，发现2H11/2能级具有比4S3/2能级更大的辐射跃迁速率，这为实现反斯托克斯荧光制冷提供了可能。由于Er3+两个绿光发射能级之间的能级差很小，且布居的电子数满足玻尔兹曼分布，利用两个绿光发射的荧光强度比可进行温度传感。提出利用Er3+的两个绿光发射能级进行反斯托克斯荧光制冷的同时，还可以实现实时温度监测，进而便于后续进行温度控制。研究发现Er3+掺杂碲酸盐玻璃具有更大的实现激光净制冷的可能性和更高的温度传感灵敏度。.2、从理论角度对Er3+掺杂ZBLAN玻璃和LiYF4晶体实现激光净制冷的可能性进行了评估。在此过程中不仅计算了由2H11/2能级反斯托克斯荧光带走的能量，还考虑了2H11/2和4I15/2能级间各能级无辐射跃迁引起的热效应。结果表明，在350-530K温度范围内，Er3+掺杂ZBLAN玻璃可以实现净制冷；然而在我们研究的实验范围内，Er3+掺杂LiYF4晶体未能实现净制冷。.3、制备了Eu3+掺杂的硼酸盐玻璃，研究了利用Eu3+的5D0和7FJ能级进行激光制冷的可能性。选择恰当波长的光将电子从7F2能级激发到5D0能级，电子将向7FJ各能级跃迁，实现荧光发射。其中5D0→7F0,1为反斯托克斯荧光发射，可从材料中带走一定的能量，有望实现激光制冷。然而，5D0→7FJ（J=3-6）跃迁过程将伴随一定热能的产生，因此要想实现净制冷，需要平衡产热和制冷的能量。研究结果表明，Eu3+掺杂硼酸盐玻璃有可能实现激光净制冷。.4、稀土掺杂玻璃材料在全固态短波长激光增益介质方面具有潜在的应用价值，研究了Er3+掺杂碲酸盐玻璃的光学增益特性，得到980 nm红外光激发下Er3+的绿光上转换发射对应的光学增益系数约为2.5 cm-1。.5、研究了稀土离子掺杂材料的热稳定性及Er3+在不同基质材料中的温度传感特性。利用Er3+掺杂材料作为荧光热探针，研究了激光辐照对Tm3+掺杂材料的致热效应。