荧光寿命测温法在固体激光制冷中的应用

• 作 者: 林燕金
• 出 处: 福州大学
• 发表日期: 2016年01期
• 关键词: 稀土 荧光 荧光寿命 测温 激光制冷 微球腔制冷

本文介绍了固体激光制冷的基本原理及其发展历程,归结出固体激光制冷的发展趋势——提高固体激光制冷效率,获取更低的制冷温度。光学介质微球腔,因其有极高的品质因子和极小模式体积的回廊模,能够极大提高泵浦光功率密度,从而提高固体激光制冷效率的。然而,现有测温技术都无法适用于利用微球腔方法进行激光制冷时的温度测量。为解决在微球腔中进行固体激光制冷实验的测温难题,结合本实验室在荧光测温技术方面的基础,提出应用荧光寿命测温法,实现固体激光制冷测温的方案。本文在理论方面,首先采用典型稀土离子的能级结构模型,根据玻尔兹曼热平衡分布定律,研究稀土发光荧光寿命与温度的函数关系,得出荧光寿命随温度升高而减小的结论。其次,根据荧光寿命的定义,设计了从荧光衰减曲线中提取荧光寿命的算法,并在荧光衰减曲线中加入直流、周期、突发等干扰,对算法进行修正。最后,根据实验需要,设计了“荧光寿命自动检测系统”,实现荧光寿命与温度关系的自动标定,及荧光寿命测温功能。实验方面,首先对下转换荧光寿命测温法进行研究。设计并实现了将下转换荧光寿命测温法应用于传统固体激光制冷中的“快速测温探头”方案,得益于石英光纤极低的导热率,该方案具有结构简单、测温精度高、速度快、对制冷系统干扰极小等优点。然而,实验发现,任何测温探头的引入都将给微球腔激光制冷系统带来极大的干扰,下转换荧光寿命测温方案不能很好的解决微球腔测温难题。本文进一步对上转换荧光寿命与温度关系进行研究。包括上转换荧光发光机理、材料制备、荧光寿命检测方案、上转换荧光寿命与温度关系标定等。得出上转换荧光寿命测温方案,该方案用固体激光制冷材料本身作为测温材料,实现在准确测温的同时不引入干扰的目的。设计将上转换荧光寿命测温法应用于传统固体激光制冷实验中的方案。针对微球腔结构,提出了“双光纤耦合测温方案”和“Y型光纤耦合测温方案”,这两个方案都能很好地解决微球腔固体激光制冷的测温问题。本文最后提出了利用固体激光制冷过程中辐射出的反斯托克斯荧光的寿命与温度关系进行测温的方案,该方案无需引入探测材料及探测光,可以完全避免温度测量给系统带来的影响,是最佳的测温方案。但由于实验室实验设备及工艺的限制,所以本方案暂未得到实验的验证。