研究生畢業(yè)論文中期答辯

1、稀土摻雜固體上轉(zhuǎn)換熒光制冷稀土摻雜固體上轉(zhuǎn)換熒光制冷的理論研究的理論研究研究生：代研究生：代 靜靜 專專 業(yè)：光學(xué)工程業(yè)：光學(xué)工程導(dǎo)導(dǎo) 師：李師：李 立立 哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院匯報(bào)提綱匯報(bào)提綱一、研究目的與主要內(nèi)容一、研究目的與主要內(nèi)容二、已開展的研究工作二、已開展的研究工作n上轉(zhuǎn)換熒光制冷的一般物理模型上轉(zhuǎn)換熒光制冷的一般物理模型n摻摻Tm固體簡(jiǎn)化三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析固體簡(jiǎn)化三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析n六能級(jí)制冷系統(tǒng)建模六能級(jí)制冷系統(tǒng)建模三、后續(xù)研究?jī)?nèi)容三、后續(xù)研究?jī)?nèi)容一、研究目的與主要內(nèi)容一、研究目的與主要內(nèi)容 固體激光制冷是激光與固體介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的一種非固體激光制冷是激光與

2、固體介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的一種非線性光熱動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。固體激光制冷因其在集成光電子器件線性光熱動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。固體激光制冷因其在集成光電子器件制冷、以及無振動(dòng)無電磁輻射的低溫信息處理等領(lǐng)域具有非制冷、以及無振動(dòng)無電磁輻射的低溫信息處理等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用背景，是目前光學(xué)制冷技術(shù)發(fā)展中的國(guó)際研究常重要的應(yīng)用背景，是目前光學(xué)制冷技術(shù)發(fā)展中的國(guó)際研究熱點(diǎn)。熱點(diǎn)。 本課題根據(jù)本課題根據(jù)Tm離子特殊能級(jí)結(jié)構(gòu)，率先提出上轉(zhuǎn)換熒光離子特殊能級(jí)結(jié)構(gòu)，率先提出上轉(zhuǎn)換熒光制冷新機(jī)理，旨在充分利用激光制冷過程中存在的激發(fā)態(tài)吸制冷新機(jī)理，旨在充分利用激光制冷過程中存在的激發(fā)態(tài)吸收上轉(zhuǎn)換的有效制冷通道，改善固體激光制冷性能。

3、收上轉(zhuǎn)換的有效制冷通道，改善固體激光制冷性能。本課題的開展為增強(qiáng)稀土摻雜固體激光制冷性能提供了新本課題的開展為增強(qiáng)稀土摻雜固體激光制冷性能提供了新的物理機(jī)制和實(shí)現(xiàn)方案，將有助于促進(jìn)全固態(tài)光學(xué)制冷應(yīng)用的物理機(jī)制和實(shí)現(xiàn)方案，將有助于促進(jìn)全固態(tài)光學(xué)制冷應(yīng)用物理基礎(chǔ)的發(fā)展，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。物理基礎(chǔ)的發(fā)展，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。一、研究目的與主要內(nèi)容一、研究目的與主要內(nèi)容 發(fā)展反斯托克斯與上轉(zhuǎn)換熒光并行制冷物理模型，闡發(fā)展反斯托克斯與上轉(zhuǎn)換熒光并行制冷物理模型，闡明上轉(zhuǎn)換熒光制冷機(jī)制。明上轉(zhuǎn)換熒光制冷機(jī)制。 以以Tm摻雜體系為研究對(duì)象，研究上轉(zhuǎn)換熒光制冷特性摻雜體系為研究對(duì)象，研究

4、上轉(zhuǎn)換熒光制冷特性及物理?xiàng)l件，提高制冷能力。及物理?xiàng)l件，提高制冷能力。 結(jié)合實(shí)際材料的物理參數(shù)，理論上評(píng)估結(jié)合實(shí)際材料的物理參數(shù)，理論上評(píng)估Tm摻雜固體上摻雜固體上轉(zhuǎn)換熒光制冷性能，以及應(yīng)用潛力。轉(zhuǎn)換熒光制冷性能，以及應(yīng)用潛力。一、研究目的與主要內(nèi)容一、研究目的與主要內(nèi)容二、已開展的研究工作二、已開展的研究工作 (1) 充分調(diào)研了固體激光制冷的國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，掌充分調(diào)研了固體激光制冷的國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，掌握了反斯托克斯熒光制冷的基本理論和分析方法，確定了握了反斯托克斯熒光制冷的基本理論和分析方法，確定了課題研究方案。課題研究方案。 (2) 建立了稀土離子建立了稀土離子Tm摻雜固體上轉(zhuǎn)換熒光制冷的

5、摻雜固體上轉(zhuǎn)換熒光制冷的物理模型，分析了反斯托克斯熒光制冷和上轉(zhuǎn)換熒光制冷物理模型，分析了反斯托克斯熒光制冷和上轉(zhuǎn)換熒光制冷的基本特性。的基本特性。 主要研究結(jié)果如下：主要研究結(jié)果如下： 2.1 上轉(zhuǎn)換熒光制冷的一般物理模型上轉(zhuǎn)換熒光制冷的一般物理模型222222111221112012rrprrrpptdNPWNdthdNPPWNdthhNNNN2211coolucrafrabsPhW NhW NPc o o lc o o la b sPP1122absrrPPP上轉(zhuǎn)換熒光制冷體系上轉(zhuǎn)換熒光制冷體系速率方程模型速率方程模型1122112212()()rafrucafcoolrrppPPPPP

6、1122121122()1rafrucafppcoolrrPPPP 2 222 22 222()0rucafucafpcoolcoolrrppPppPP1112221()01afafuccoolcoolrpprPP 影響上轉(zhuǎn)換過程的主要因素：基態(tài)泵浦波長(zhǎng)、激發(fā)態(tài)泵浦波長(zhǎng)、泵浦功率、反影響上轉(zhuǎn)換過程的主要因素：基態(tài)泵浦波長(zhǎng)、激發(fā)態(tài)泵浦波長(zhǎng)、泵浦功率、反斯托克熒光波長(zhǎng)、上轉(zhuǎn)換熒光波長(zhǎng)、背景吸收。相比傳統(tǒng)反斯托克斯制冷過程，斯托克熒光波長(zhǎng)、上轉(zhuǎn)換熒光波長(zhǎng)、背景吸收。相比傳統(tǒng)反斯托克斯制冷過程，解析結(jié)果解析結(jié)果：2.1 上轉(zhuǎn)換熒光制冷的一般物理模型上轉(zhuǎn)換熒光制冷的一般物理模型制冷功率制冷功率制冷效率制

7、冷效率上轉(zhuǎn)換熒光制冷的必要條件：上轉(zhuǎn)換熒光制冷的必要條件：2231112212120,1,ppucppEEEEhhhh 制冷波長(zhǎng)范圍制冷波長(zhǎng)范圍二維圖譜分析二維圖譜分析2.1 上轉(zhuǎn)換熒光制冷的一般物理模型上轉(zhuǎn)換熒光制冷的一般物理模型2.2 摻摻Tm固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析221212122022221222222101010112121212111212221112012()()()(1)()()()()(1)ernrernrerpernrernrerpptdNINNWWNWWNW NdthINNdNINNWWNWWNW NdthhNNNN c o o lc o o la

8、b sPP212121220101011()()abspbbPw lNN INN I22220212111()coolperucerafabsPw lN WhhNW hP2.2 摻摻Tm固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析三能級(jí)速率方程建模三能級(jí)速率方程建模制冷功率制冷功率吸收功率吸收功率制冷效率制冷效率泵浦泵浦長(zhǎng)選擇：泵浦泵浦長(zhǎng)選擇：(量子效率量子效率1，溫度，溫度300K）()()pBhk Tabspemspe2212()(,)8emsppA gn 2.2 摻摻Tm固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析Tm離子吸收離子吸收-輻射譜輻射譜（反斯托克斯制冷）（反斯托克斯制冷）Tm

9、離子吸收離子吸收-輻射譜輻射譜（上轉(zhuǎn)換制冷）（上轉(zhuǎn)換制冷）重要結(jié)果說明重要結(jié)果說明XXXXXXXX2.2 摻摻Tm固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析上轉(zhuǎn)換過程上轉(zhuǎn)換過程不同泵浦波長(zhǎng)下制冷功率不同泵浦波長(zhǎng)下制冷功率反斯托克斯過程反斯托克斯過程不同泵浦波長(zhǎng)下制冷功率不同泵浦波長(zhǎng)下制冷功率2.2 摻摻Tm固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析重要結(jié)果說明重要結(jié)果說明XXXXXXXX上轉(zhuǎn)換過程上轉(zhuǎn)換過程不同泵浦波長(zhǎng)下制冷效率不同泵浦波長(zhǎng)下制冷效率反斯托克斯過程反斯托克斯過程不同泵浦波長(zhǎng)下制冷效率不同泵浦波長(zhǎng)下制冷效率 泵浦功率分析：泵浦功率分析：(泵浦波長(zhǎng)分別選取泵浦波長(zhǎng)分別選取184

10、8nm和和651.7nm)2.2 摻摻Tm固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析雙泵浦功率下的制冷功率雙泵浦功率下的制冷功率雙泵浦功率下的吸收功率雙泵浦功率下的吸收功率2.2 摻摻Tm固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析雙泵浦功率下的制冷效率雙泵浦功率下的制冷效率 溫度影響溫度影響 (泵浦波長(zhǎng)分別為泵浦波長(zhǎng)分別為 1848nm和和651.7nm、泵浦功率分別為、泵浦功率分別為0.45w和和0.25w)22111111(1)11BBBBEEk Tk TBBfEEBk Tk Teek Thk Thk Thee()()pBhk Tabspemspe201211211BBBBEEk Tk

11、 Tk TEk TgEeeegEe, 粒子能級(jí)熒光頻率粒子能級(jí)熒光頻率吸收截面與輻射截面的互易關(guān)系吸收截面與輻射截面的互易關(guān)系2.2 摻摻Tm固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析隨制冷溫度變化的主要結(jié)果隨制冷溫度變化的主要結(jié)果降溫時(shí)上轉(zhuǎn)換熒光波長(zhǎng)變化降溫時(shí)上轉(zhuǎn)換熒光波長(zhǎng)變化降溫時(shí)反斯托克斯熒光波長(zhǎng)變化降溫時(shí)反斯托克斯熒光波長(zhǎng)變化2.2 摻摻Tm固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析隨制冷溫度變化的主要結(jié)果隨制冷溫度變化的主要結(jié)果降溫時(shí)降溫時(shí)3F4能級(jí)的吸收截面變化能級(jí)的吸收截面變化降溫時(shí)降溫時(shí)1G4能級(jí)的吸收截面變化能級(jí)的吸收截面變化2.2 摻摻Tm固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析固體三能

12、級(jí)制冷系統(tǒng)分析隨制冷溫度變化的主要結(jié)果隨制冷溫度變化的主要結(jié)果降溫時(shí)制冷功率變化降溫時(shí)制冷功率變化降溫時(shí)吸收功率變化降溫時(shí)吸收功率變化降溫時(shí)制冷效率變化降溫時(shí)制冷效率變化加入環(huán)境熱負(fù)載后，樣品溫度的時(shí)間響應(yīng)加入環(huán)境熱負(fù)載后，樣品溫度的時(shí)間響應(yīng)sloadcooldTCPPdt44()1sSloadcsAPTTx其中其中 黑體輻射熱傳導(dǎo)黑體輻射熱傳導(dǎo)2.2 摻摻Tm固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析固體三能級(jí)制冷系統(tǒng)分析溫變模型溫變模型不同制冷功率下溫度時(shí)間響應(yīng)不同制冷功率下溫度時(shí)間響應(yīng)01002003004005006007008009001000220230240250260270280290300時(shí)間（

13、s）樣品溫度（K） Pcool=0.0677 mWPcool=0.1067 mW2.3 六能級(jí)制冷系統(tǒng)建模六能級(jí)制冷系統(tǒng)建?？紤]帶內(nèi)聲子激發(fā)和波爾茲曼分布，建立六能級(jí)制冷模型考慮帶內(nèi)聲子激發(fā)和波爾茲曼分布，建立六能級(jí)制冷模型111212121100012311204522121121212214522332223211132343434311332222()()()()()()()()2()()2()rnrrnrprnrrnrprnrpdNINNN WN WNNWWNNWWdthdNINNNNWWN WN WNWWdthdNINNN WWN WN Wdth 32145222343434455444542225445554522012345()()()2()2()rnrrnrprnrtNNWWINNdNN WN WNWWdthdNN WN WNWWdtNNNNNNN3112235111223455222345222afpucppucpNhhNNNhhhNNNhhNN21223145220121211222()2()()rrcoo