研究生毕业论文中期答辩

稀土掺杂固体上转换荧光制冷的理论研究研究生：代静专业：光学工程导师：李立哈尔滨工程大学理学院汇报提纲一、研究目的与主要内容二、已开展的研究工作上转换荧光制冷的一般物理模型掺Tm固体简化三能级制冷系统分析六能级制冷系统建模三、后续研究内容一、研究目的与主要内容固体激光制冷是激光与固体介质相互作用产生的一种非线性光热动力学现象。固体激光制冷因其在集成光电子器件制冷、以及无振动无电磁辐射的低温信息处理等领域具有非常重要的应用背景，是目前光学制冷技术发展中的国际研究热点。本课题根据Tm离子特殊能级结构，率先提出上转换荧光制冷新机理，旨在充分利用激光制冷过程中存在的激发态吸收上转换的有效制冷通道，改善固体激光制冷性能。本课题的开展为增强稀土掺杂固体激光制冷性能提供了新的物理机制和实现方案，将有助于促进全固态光学制冷应用物理基础的发展，具有重要的学术价值和现实意义。一、研究目的与主要内容发展反斯托克斯与上转换荧光并行制冷物理模型，阐明上转换荧光制冷机制。以Tm掺杂体系为研究对象，研究上转换荧光制冷特性及物理条件，提高制冷能力。结合实际材料的物理参数，理论上评估Tm掺杂固体上转换荧光制冷性能，以及应用潜力。一、研究目的与主要内容二、已开展的研究工作(1)充分调研了固体激光制冷的国内外相关资料，掌握了反斯托克斯荧光制冷的基本理论和分析方法，确定了课题研究方案。(2)建立了稀土离子Tm掺杂固体上转换荧光制冷的物理模型，分析了反斯托克斯荧光制冷和上转换荧光制冷的基本特性。主要研究结果如下：2.1上转换荧光制冷的一般物理模型E2E1N2N1N0γucγafhγp1hγp2δ1δ2δ31G43F43H6222222111221112012rrprrrpptdNPWNdthdNPPWNdthhNNNN2211coolucrafrabsPhWNhWNPcoolcoolabsPP1122absrrPPP上转换荧光制冷体系速率方程模型1122112212()()rafrucafcoolrrppPPPPP1122121122()1rafrucafppcoolrrPPPP222222222()0rucafucafpcoolcoolrrppPppPP1112221()01afafuccoolcoolrpprPP影响上转换过程的主要因素：基态泵浦波长、激发态泵浦波长、泵浦功率、反斯托克荧光波长、上转换荧光波长、背景吸收。相比传统反斯托克斯制冷过程，解析结果：2.1上转换荧光制冷的一般物理模型制冷功率制冷效率上转换荧光制冷的必要条件：2231112212120,1,,ppucppEEEEhhhh650700180020001600600λp1(nm)hc/(E2+δ2+δ3)hc/E2hc/(E1+δ1+δ2)hc/E1η0①②③④⑤λp2(nm)制冷波长范围二维图谱分析2.1上转换荧光制冷的一般物理模型n23F2,3n1n03H63F41G4λp2λp13H43H5γafγucγ21β20β212.2掺Tm固体三能级制冷系统分析221212122022221222222101010112121212111212221112012()()()(1)()()()()(1)ernrernrerpernrernrerpptdNINNWWNWWNWNdthINNdNINNWWNWWNWNdthhNNNNcoolcoolabsPP212121220101011[()()]abspbbPwlNNINNI22220212111[()]coolperucerafabsPwlNWhhNWhP2.2掺Tm固体三能级制冷系统分析三能级速率方程建模制冷功率吸收功率制冷效率泵浦泵浦长选择：(量子效率1，温度300K）()()pBhkTabspemspe2212()(,)8emsppAgn2.2掺Tm固体三能级制冷系统分析Tm离子吸收-辐射谱（反斯托克斯制冷）Tm离子吸收-辐射谱（上转换制冷）重要结果说明XXXXXXXX2.2掺Tm固体三能级制冷系统分析上转换过程不同泵浦波长下制冷功率反斯托克斯过程不同泵浦波长下制冷功率2.2掺Tm固体三能级制冷系统分析重要结果说明XXXXXXXX上转换过程不同泵浦波长下制冷效率反斯托克斯过程不同泵浦波长下制冷效率泵浦功率分析：(泵浦波长分别选取1848nm和651.7nm)2.2掺Tm固体三能级制冷系统分析双泵浦功率下的制冷功率双泵浦功率下的吸收功率2.2掺Tm固体三能级制冷系统分析双泵浦功率下的制冷效率温度影响(泵浦波长分别为1848nm和651.7nm、泵浦功率分别为0.45w和0.25w)22111111(1)11BBBBEEkTkTBBfEEBkTkTeekThkThkThee()()pBhkTabspemspe201211211BBBBEEkTkTkTEkTgEeeegEe,粒子能级荧光频率吸收截面与辐射截面的互易关系2.2掺Tm固体三能级制冷系统分析随制冷温度变化的主要结果降温时上转换荧光波长变化降温时反斯托克斯荧光波长变化2.2掺Tm固体三能级制冷系统分析随制冷温度变化的主要结果降温时3F4能级的吸收截面变化降温时1G4能级的吸收截面变化2.2掺Tm固体三能级制冷系统分析随制冷温度变化的主要结果降温时制冷功率变化降温时吸收功率变化降温时制冷效率变化加入环境热负载后，样品温度的时间响应sloadcooldTCPPdt44()1sSloadcsAPTTx其中黑体辐射热传导2.2掺Tm固体三能级制冷系统分析温变模型不同制冷功率下温度时间响应01002003004005006007008009001000220230240250260270280290300时间（s）样品温度（K）Pcool=0.0677mWPcool=0.1067mWn23F2,3n1n03H63F41G4λp2λp13H43H5n3n4n5w10w01w32w23w54w45W1rW1nrW2rW2nrW2rW2nr2.3六能级制冷系统建模考虑带内声子激发和波尔兹曼分布，建立六能级制冷模型111212121100012311204522121121212214522332223211132343434311332222()()()()()()()()2()()2()rnrrnrprnrrnrprnrpdNINNNWNWNNWWNNWWdthdNINNNNWWNWNWNWWdthdNINNNWWNWNWdth32145222343434455444542225445554522012345()()()2()2()rnrrnrprnrtNNWWINNdNNWNWNWWdthdNNWNWNWWdtNNNNNNN3112235111223455222345222afpucppucpNhhNNNhhhNNNhhNN2122314522012121122[2()2()()]rrcoolprafrucucabsrnrrnrWWPwlNNWhNNWhhP234343421212121[()()]abspbbPwlNNINNI布居数运动方程荧光制冷模型三、后续研究内容完善六能级制冷体系的性能分析；实验测量并进行上转换光谱分析；毕业论文撰写谢谢各位老师的指点！