PDF《反斯托克斯荧光制冷的研究进展与综述》

第20 卷第2期物理学进展Vol.

20 ,No.

2 2000 年6月PROGRESS IN PHYSICS J une ,2000 文章编号 :1000Ο

0542 (2000) 02Ο 0093Ο

75 收稿日期 :1999Ο 12Ο

24 修收日期 :2000Ο 03Ο

27 基金项目 :国家重点基础研究发展规划(9731 稀土 G1998061320)

1 中国科学院重点基金 ,国家自然科学 基金(59872042 ,69708003) 资助项目 反斯托克斯荧光制冷的研究进展与综述 秦伟平 (中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 ,长春

130021 ;

中国科学院激发态物理开放实验室 ,长春

130021 ;

吉林大学电子工程系 吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室 ,长春 130023) 摘要:反斯托克斯荧光制冷 ( A ntiΟStokes Fluorescent Cooling) 也被称为激光制冷 ( L aser Cooling) .自1995 年以来 ,该项研究取得了飞速的发展.目前 ,人们利用激光制冷的方法已 经得到了比家用冰箱冷冻室还低的温度 ,并能够利用半导体量子阱材料得到低于液氮温区的 降温.由于这项技术具有全光性 ,它的制冷器具有体积小、 重量轻、 无电磁辐射、 无振动、 无噪 声等特点 ,因此也就具有了非常诱人的应用前景和符合军事、 空间、 集成光学、 微电子、 医学等 领域的特殊要求 ,而被国外研究者所重视.做为一项基本技术 ,激光制冷研究的突破必然会 导致许多对温度有特殊要求的高技术实用化 ,推动那些领域向前发展.本文详细地介绍了反 斯托克斯荧光制冷研究的历史和最新进展 ,详细地介绍了该项研究中的方法和理论.着重介 绍了激光制冷的热力学限制、 发光过程的热力学理论 ,探讨激光制冷产生的机制和制冷理论. 最后 ,对激光制冷器的发展前景和设计依据进行了讨论 ,尝试性地探讨了线圈型制冷器、 用于 芯片的制冷器和单分子Ο 光子泵型制冷器的应用考虑. 关键词 : 激光 ;

制冷 ;

反斯托克斯荧光 中图分类号 : O48213 ;

O48212 ;

O482131 文献标识码 : A

1 反斯托克斯荧光制冷研究的回顾

1995 年I. Epstein[1 ] 报道了用激光诱导固体材料的反斯托克斯荧光制冷方法 ,获得 了0.

3 K的降温 ,实现了用固态介质通过反斯托克斯荧光的方法得到制冷效应的历史性 突破.同年 ,J . L. Clark 和G. Rumbles[2 ] 发表了用同一方法在罗丹明

101 酸性酒精液体 中实现了激光制冷的结果 ,将温度降了

3 K.在后来不长时间里 ,C. E. Mungan[3 ] 和X. Luo[4 ] 等人先后用该方法在重金属氟化物玻璃光纤中实现了

16 K 和21 K 降温.最近,T. R. Gosnell 再次利用掺稀土镱的重金属氟化物玻璃光纤得到

65 K的温降.1999 年E. Finkei β en等人实现了半导体量子阱材料的激光制冷 ,并使样品的温度从77 K向下降了

7 K.由此 ,研究人员们预言 :研制出与机械等制冷方式效率相当的全固体激光制冷器是 可能的[5 ,6 ] . 1.

1 反斯托克斯荧光制冷思想的提出 早在

1929 年P. Pringsheim[7 ] 就提出了通过反斯托克斯荧光对材料进行制冷的物理 思想.此想法一经提出就遭到 S. Vavilov 等人的强烈反对.在其后的

16 年中 , 在P. Pringsheim和S. Vavilov 之间围绕着该想法展开了一场非常激烈的争论[8~10 ] . Vavilov 认为根据热力学的原理这样的想法是不可能实现的.因为 ,根据常识人们都知道被光线 照射的物体要发热 ,物体的温度会在光线的照射下升高.光照制冷的想法不被大多数人 所理解.一个绝热热力学过程要进行 ,系统的熵必须增加.因此 ,从表面上看 ,光照制冷 的想法似乎与热力学的基本原理相违背.因此 Vavilov 等人推断 ,荧光制冷的想法是违 背热力学原理的 ,也不可能实现. 后来 ,著名的物理学家 L. Landau[11 ] 本人亲自参与了这场辩论.1946 年,Landau 利 用热力学的基本原理 ,对被光线照射的物体的热力学行为进行了分析.他指出 ,以往人们 是孤立地看待被光照射的物体 ,用这样的系统进行热力学分析时必然会导致光照只能发 热的结论.Landau 将被光照射的物体和光场本身作为一个整体来进行热力学分析.在 这样的由物体和光场共同组成的热力学系统中 ,Landau 证明制冷时样品上熵的损失小于 系统由于光的照射而产生的熵的增加 ,这个结果来源于光的单色性、 相干性和方向性的丧 失 ,从而为反斯托克斯荧光制冷研究奠定了理论基础. 几年之后 ,法国研究者 Alfred Kastler[12 ] 讨论了两个系统 :在圆偏振光的照射下 ,钠蒸 气劈裂的 Zeeman 能级 ;