激光冷却固体概述激光冷却是指用一种或多种特定激光照射物质：在激光与物质相互作用后，物体的温度降低。而，从日常生活的经验，对象可以从光吸收能量并升温：例如，每个人都喜欢在沙滩上晒着太阳，它是很难走赤脚夏天的路。太阳光相比，激光的功率密度更高，高功率激光甚至可以熔化材料，因此激光可以用于加工和切割，制造激光武器等等如果有人说激光可以用于冷却，那么每个人都可能会觉得某些事情与常识有关。
　　事实上，科学家们不仅使用激光来冷却稀薄的原子气体，而且近年来他们也成功地使用激光来冷却固体材料。么，激光如何冷却材料呢？要解释这个问题，首先必须了解温度。单来说，热量是物质内部原子运动的表达，而热量和冷度则表现为构成物质的原子运动强度。水分子为例：温度越高，水分子移动得越快，运动就越自由。水的温度超过沸点，水将沸腾时，大量的水分子在离开水面的和变成气体，温度低时，运动的更高水分子会变慢，当水温低于冰点时，运动范围会减小，水会导致结冰。只能围绕中心位置振动。
　　量子力学的概念中，这种热振动的能量在声子中被量化。光冷却固体也称为光学制冷。概念已被提出用于在第一时间由德国物理学家彼得Pringsheim于1929年的基本原理是，当一个激光réfractable物质与特定波长的单色光照射，该物质能吸收低能量激光光子（长波长光子）然后通过自发发射同时发射相同数量的高能光子。

　　（短波长光子） - 该过程称为上转换荧光或反斯托克斯荧光。据能量守恒定律，已知的是，高能量光子必须提取的材料的能量，这可能是所述物质的热振动（声子）的至少一部分。包含在材料中的声子被吸收并且声子能量由发射的光子驱动时，并且没有其他额外的加热机制，材料的温度下降。一理论被提出后，引发了人们对这一过程中是否违反热力学第二定律，到最后给光辐射的熵的定义在1946年，解决物理问题的争论热力学的光学制冷。制。

　　辐射的熵是辐射光子的顺序：更多的光子是单色，更大的频度分布是窄的和辐射的熵是小的，与此相反，越辐射光谱，较大的辐射熵很大。据热力学第二定律，如果要降低物质的温度，必须减少激光冷却过程中的熵，低熵激光对待材料而成为自发光子辐射高熵，能够满足总量。统熵的基本定律增加了。一原则首先用于冷却的薄原子气体：当与能量比用于原子跃迁所需的能量略少的激光束用于照射的原子气体（如原子气体氦），位移速度的原子比与激光方向相反。

　　他方向的原子探测到激光的能量，因此它们吸收低能激光光子并以高能量散射它们：这是众所周知的多普勒效应。此过程中，散射的光子消除多余的能量，并导致在原子的速度下降在这个方向上，从而降低了原子气体的温度非常接近绝对零度的水平。用原子气体在Nakvin（nK）的极低温度下进行激光冷却。密光谱学，玻色 - 爱因斯坦，量子力学和量子纠缠的基本问题已经有许多突破和众多的诺贝尔物理学奖（1989年，1997年）得到了回报。2001年，2005年和2012年）。实上，所述材料将被冷却可以是一个原子，分子或固体构成的大量原子，包括玻璃控制短程（稀土离子掺杂）的和有序半导体远程（无故意掺杂）。体冷却激光非常相似与原子冷却激光，不同于大量固体相互作用的原子以形成原子的链：原子连接在网络中和吸收光子孤立原子的动能。是大量原子的集体振动。半导体的情况下，热能提供以网络振动（声子）形式向上转换荧光所需的额外能量和动量。用于激光冷却固体的条件比激光冷却原子更严格：上转换所需的荧光发射的外量子效率接近100％。此，直到1995年，IR爱泼斯坦和洛斯阿拉莫斯国家实验室在美国的其他才能观察到在玻璃镱掺杂的氟化物首次激光器（ZRF 4-氟化钡 - 氟化镧-的AlF 3 NaF- PbF2（ZBLANP））。疗现象。研究小组由曼苏尔酋长，Bahae博士新墨西哥大学领导继续他的研究在晶体材料掺杂rares.Le土地氟化物晶体锗锂（LiYF4）掺镱能从室温光学冷却至约90开尔文。（相当于-183°C）。光在固态冷却的最后一个重大的进步的历史可以追溯到2013年，当张军，在新加坡南洋理工大学在敻七哗教授研究员，表明该激光器可用于在第一时间将半导体从室温冷却到-20℃。冷机制不同于以前的稀土掺杂玻璃制冷机制：首次采用自由电子实现激光冷却能量带。外，半导体材料比稀土材料更容易与现有工业系统集成和集成，同时理论上可以实现更低的极端温度。们的文章于2013年1月24日发表在自然科学杂志的顶部，并被选为当前封面。创性研究该结果预计将创造完全固态光学冷却器，紧凑，振动或冷却剂可以被直接集成到电子器件和光电子器件，例如用于航天器高度敏感的检测器。外夜视，电脑芯片等对激光研究当前状态冷却的固体制冷激光目前，固体材料被成功地分为两大类：玻璃和晶体掺杂稀土离子rares.Dans制冷激光的概念更二十年后，卡斯特勒和他的合作者提出了一种固体掺杂的稀土。料可以潜在地实现固态激光制冷。这个方向上，科学家们在国家实验室进行了大量的尝试后，由于材料质量的限制，但是，直到1995年，冷却激光固体材料被实验首次被科学家来自洛斯阿拉莫斯。察。们用1010纳米波长的激光照射YB3 + ZBLANP掺杂的氟化物玻璃，这使得物体的温度降低了0.3℃。管这个温差很小，第一次激光冷却固体允许人们准备一个方便的激光冷却设备，这是非常重要的。过多年的努力，他们已经成功地减少添加Yb LiYF4 -1至120℃，晶体的温度在2011年与1020纳米的波长的激光，这使他们在2015年实现新的掺杂离子浓度。周围冷却风险-183℃。制冷记录已超过基于热电效应的半导体冷却装置和达到实用水平，但在同一时间，荧光的效率稀土离子在低温下的声子辅助上转换率大大降低。
　　土材料的理论最小冷却极限。果您想使用激光来冷却固体和降低温度，您需要找到新的系统和机制。这种背景下，寻找激光冷却半导体材料和其他新型固体制冷剂材料已成为新的热点。次，半导体纳米带六组，由于半导体材料的独特的物理性质，在理论上有液体的沸点的更大的冷却效率和冷却极限（-269℃）。种冷却温度可以代替几乎所有的冷却剂，包括必须用于超导体的冷却剂：液氦，因此半导体材料具有超过制冷材料的天然优势。杂稀土的玻璃。们也是现代电子和光电器件。用能够激光冷却的半导体材料的基石可以容易地将制冷剂材料与现有的半导体器件集成，使其成为新一代光学制冷器的优良材料。究人员长期以来一直进行了广泛的理论和实验研究的三个或五个半导体材料，例如砷化镓，虽然得到的高结晶质量砷化镓单晶，声子的材料（声子是在固体网络的元激发振动）和电子耦合力都很faibles.En同时，砷化镓具有通过荧光，光子的强烈影响，其重吸收导致较低的声子辅助上转换效率。且光子重吸收引起的寄生加热效应无法消除，人们无法在半导体材料中实现真正的激光晶格冷却。

　　帐博士及其同事使用硫化镉nanosupport（CDS）半导体II-VI研究拉曼光谱，结果发现，当它被激光稍低能带激发他被观察到禁止的CdS。常强的荧光反斯托克斯和蓝色向上移动的能量峰的荧光时的激发光的能量增加，这是所造成的冷却蓝色荧光的实际偏移量靠光明。
　　后，他用李德辉博士生合作，进行更详细的研究，并最终使用514纳米波长的绿色激光成功地减少20℃到CD纳米壳温度它们还证明，即使在-173℃的低温下，纳米碳半导体的温度也可以用532nm激光降低约15℃。个原因硫化镉是第一实现制冷半导体激光器：第一是，硫化镉半导体具有强耦合的电子/声子：每个光子可激光激发下共振。关的一个或多个声子以及有效地消除硫化镉纳米带的热能，第二个是在实验中使用nanobiltes的厚度是荧光光子的不到一半的波长在带内传播，从而消除多余的热量。能量逃逸荧光几乎100％的纳米带没有重吸收，这将打开勘探半导体的新途径冷却的半导体材料的激光标记用强电子 - 声子耦合。光制冷材料的未来发展方向量子点掺杂玻璃芯片和量子点掺杂玻璃晶体制冷材料的局限性主要与一点有关：激发态持续时间长寿命可达到毫秒级，另一种是长波长吸收截面非常小，导致激光冷却效率低。
　　了解决这个问题，加林娜Nemova和他的同事提出了一个类制冷激光材料：硫化铅（PBS），硒化铅玻璃（的PbSe）掺杂的量子点。块状材料的尺寸减小到与玻尔半径大小可比的顺序，量子限制效应变得很重要和价带和导带被量化，其对应于量子点。于在量子点的电子和空穴的波函数的空间重叠，通过声子协助的上转换的荧光的寿命大大降低，吸收截面相对于掺杂的玻璃增加传统的稀土离子，预计会有更高的冷却效率。而，由于在表面上增加的量子缺陷，非辐射复合的寿命，并且还降低了荧光的量子效率得到改善，这种类型的制冷的用于不具有激光材料还在研究中。激光冷却中掺杂稀土离子的氟化物玻璃陶瓷，声子辅助上转换荧光的效率是制冷效率的关键因素，更多声子能量低，声子辅助上转换的概率越高。意味着可以转换更多的光子。
　　ZBLAN材料首先用于激光冷却，然后是LiYF4，具有非常低的能量声子模式。而，这种材料的主要缺点是其化学和机械稳定性低。此，需要找到具有低能量声子模式的更稳定的材料作为稀土金属离子的载体。究表明，氟氧化物具有更好的化学稳定性和可加工性，以及低能量声子模式，它应成为固态激光制冷的重要材料。前，在这些材料中，已对铈离子掺杂的氟氧化物玻璃（Tm3 +）进行了系统研究。导体宽带隙材料实现了半导体激光器冷却材料与2.48电子伏特的带隙硫化镉，使得激光冷却可以用绿色光来获得（近并略低于带隙）。对于CD，则带宽间隙材料最宽的具有复合辐射的寿命缩短和非辐射复合的概率如俄歇复合是更小的，提供了更高的量子效率。时，一些宽带宽具有更强的电子耦合，这意味着声子辅助上转换的吸收更高。
　　外，从实际的观点来看，半导体带宽是对可见光透明，并且不影响他们的系统réfrigération.En另外的光学部件，碳宽半导体禁带具有很高的结合能，因此它们还具有更强的化学，机械和紫外特性。射稳定性。的来说，宽带隙半导体激光制冷的研究将成为未来研究的重点。电晶体掺杂过渡金属类似于电子4f稀土金属。渡金属的3d电子也具有局部能级和丰富的跃迁，不同之处在于电子4f具有最外层和最小的电子。屏蔽是较少受晶体场，晶体场通常导致更少的非辐射复合，并且可以具有量子产率更高的荧光，而过渡金属的3d电子直接受到晶体场，电子和声子。合强，辐射复合材料的效率通常较低。而，强电声耦合也是激光冷却的一个优点，即声子辅助上转换的吸收截面很大，因此激光冷却用稀土掺杂材料可以获得低温固态。璃材料或掺杂晶体的激光冷却温度已达到极限，过渡金属掺杂材料的激光冷却尚未经过实验证实，这对于研究这类材料。土掺杂半导体材料研究的大多数固态激光冷却材料都是基于稀土掺杂绝缘电介质或纯半导体材料。绝缘介质中，只有基态激发的稀土离子参与声子辅助上转换。导体中的荧光仅涉及传导和价带载体，冷库建造用于激光冷却。杂有稀土的半导体材料结合了这两种：在冷却过程中激光，参与由声子协助转换过程中半导体的局部电子稀土离子和电子parasagitants，使这种材料向上转换吸收截面很大，同时，各种器件可以由半导体材料构成，并与现代半导体工业相结合，从而吸引公众注意。
　　土离子和巡航电子之间的能量转移是这类材料的优先考虑之一。论固体冷藏激光具有许多有趣的优点和前景，尤其是因为它们允许冷却检测器和传感器，以空间敏感，因为激光冷却提供了完整的振动抑制，这是到目前为止受益。有制冷方法都是无与伦比的。此同时，激光冷却不要求封闭的环境，并且可以使非接触direct.En制冷分离的激光发射系统和制冷设备进入的空间，冷却可小型轻量化并且激光传输了很长时间。离，超长距离冷却是可能的。航空航天等先进技术中，繁琐的液氮液氦冷却工艺极大地限制了技术的进步，这将极大地有利于航空航天工业。动冷却激光器是在对固体激光冷却研究领域的研究另一个有趣的途径：一旦激光成为现实，大的冷却的部分可以被消除，从而允许小型化和照亮激光本身。别是在激光武器中，应用非常重要。
　　然固体激光冷却材料提供了非常有趣的应用前景，但在这一领域仍然存在巨大的挑战：激光冷却固体技术并未真正走出实验室。而，最近引入了稀土掺杂玻璃原型，并且半导体激光器制冷也迈出了重要的第一步，并且将会有许多进步和进步。首过去，冷冻固体激光材料已经非常成功，在过去的20年：激光在固体状态下冷却更将吸引科学家和未来20年的关注，可能是关键的执行从实验室到应用的光学制冷。间我们相信光学制冷技术将成为低温和制冷技术的革命：激光物理和凝聚态物理这一新领域必将有更大的发展，最终进入我们的领域。
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