Антистоксовое охлаждение

Парадигма антистоксового охлаждения [c.42]

Антистоксовое охлаждение. Представим себе систему невзаимодействующих примесей в твёрдом теле. Предположим, что эти примеси имеют очень простую энергетическую структуру основное состояние, которое условно назовём 1 , и возбуждённое состояние, представляющее из себя пару уровней 2 и 3 (рис. 1.6,а). Для иллюстративных целей, предположим также, что расщепление между уровнями 2 и 3 составляет самое большее несколько хТ, где я — постоянная Больцмана, Г — температура, которую имеет образец. Такое предположение обеспечит нам, что эти два уровня будут быстро, за время порядка нескольких наносекунд (нередко и пикосекунд [70]), возвращаться в состояние термодинамического квазиравновесия друг с другом, если это равновесие будет нарушено. В то же время мы потребуем, чтобы расстояние между уровнями основного и возбуждённого состояний по меньшей мере на порядок превышало это расщепление. Согласно известному правилу о соотношении между вероятностью безызлучательного перехода и энергией перехода [43], это обеспечит нам то, что процессами безызлучательной релаксации между этими состояниями можно пренебречь. Таким образом, возбуждение атомов из верхнего состояния может распадаться в основное состояние только с излучением фотона. Математически это означает, что квантовый выход люминесценции этой системы близок единице на каждый поглощённый на данном переходе фотон излучается также один фотон. [c.42]

Рис. 1.7. Парадигма антистоксового охлаждения средняя энергия излучения превышает энергию поглощённого излучения

Парадигма антистоксового охлаждения 45 [c.45]

Парадигма антистоксового охлаждения 47 [c.47]

Парадигма антистоксового охлаждения 51 [c.51]

Парадигма антистоксового охлаждения 55 [c.55]

Парадигма антистоксового охлаждения 57 [c.57]

Парадигма антистоксового охлаждения 59 [c.59]

Интересно сравнить эффективность охлаждения за счёт эффекта Пельтье и за счёт антистоксовой флуоресценции. На этот вопрос впервые обратили внимание французские учёные в работе [145]. Ниже мы дадим сравнительный теоретический анализ оптического антистоксового охлаждения и охлаждения за счёт эффекта Пельтье, предложенный в этой работе, но прежде кратко рассмотрим некоторые практические особенности в конструкции уже имеющихся холодильников Пельтье. [c.104]

Сравнение с антистоксовым охлаждением II. Теперь мы можем вернуться к анализу выражений (2.137)-(2.141). В экспериментах по лазерному охлаждению вакуумная камера представляет собой элемент, в котором происходят только потери излучения на поглощение. Поэтому можно положить [c.115]

Таким образом, антистоксовое охлаждение материалов является областью активного экспериментального исследования и изучения. Более того, эта тема разработок представляет собой изобильную почву для физиков-теоретиков, интересующихся взаимодействием между светом и веществом. [c.120]

Очевидно, что антистоксова люминесценция должна вызывать (и действительно вызывает) охлаждение люминофора, поскольку уходящее излучение выносит больше энергии, чем приносит входящее. [c.213]

На первый взгляд, может показаться, что в принципе нет возможности уменьшать скорость атома, используя световое давление. Одиако на самом деле это возможно при антистоксовом рассеянии света на атоме. Процесс охлаждения атомов и ионов лазерным излучением осуществлен и иашел широкое применение в ряде приложений. Основанием к практической реализации процесса замедления (охлаждения) атомов является их относительно небольшая начальная скорость. Так, температуре Т порядка 100 К (комнатная температура) соответствует энергия порядка 10 эВ. Ия сопоставления этой анергии с приведенным выше значением силы светового давления видно, что давление может компенсировать начальную энергию на длине пути 10 см, что вполне реально. Отметим, что температура порядка 100 К — это типичная температура кипения щелочных металлов п, тем самым, кинетическая энергия щелочных атомов в атомном пучке порядка 10 эВ. [c.103]

Воздействие света на вещество состоит в передаче этому веществу энергии и импульса, привносимых световой волной, в результате чего могут возникать разнообразные эффекты. Первичным процессом является поглощение света. Поглощённая световая энергия в самом общем и наиболее распространённом случае переходит в тепло, несколько повышая температуру поглощающего тела. Обнаружение в 1928 году антистоксового и стоксового режимов рассеяния света показало принципиальную возможность оптического охлаждения вещества. Использование лазеров (особенно полупроводниковых) для охлаждения позволяет сделать оптический рефрижератор компактным. [c.8]

Растворы красителей. Вопрос о возможности охлаждения посредством антистоксовой эмиссии в красителях, растворённых в жидкой среде, был впервые поднят С. И. Вавиловым в 1945 году [71]. Этот вопрос вытекал непосредственно из интереса спектроскопистов того времени, ведущих исследования антистоксовой флуоресценции растворов красителей на протяжении предшествующих двадцати лет [78, 79]. Вплоть до 1970 года ответ на этот вопрос был отрицательным. Обоснованием этому служил теоретический анализ экспериментов, поставленных для широкого спектра молекулярных ве- [c.48]

Сравнение с антистоксовым охлаждением I. Рассмотрим холодильник Пельтье, состоящий из холодного (с температурой Тхол) и горячего (с температурой Trop) спаев, к которым приложена разность потенциалов . Последняя обеспечивает непрерывную циркуляцию носителей заряда в замкнутой цепи. Количество тепла (здесь и далее точка над буквой обозначает в единицу времени ) ( хол- которое будет отнято от холодного спая при протекании через него тока I, равно [c.106]

Рис. 2.11. Антистоксовое охлаждение в модели трёхуровневых частиц, По, Пи П2 — плотности населённости состояний 0,1 и 2

Интересно отметить тот факт, что величина джоулева нагрева квадратично зависит от приложенной на входе энергии (электрического тока), а при поглощении излучения накачки зависимость нагрева является линейной (если пренебречь многофононной релаксацией). Это видно из выражения (2.171), поскольку в грубом приближении Н пропорционально /экв, и, таким образом, сгэкв 1жв- Это обстоятельство является значительным преимуществом оптического антистоксового охлаждения в сравнении с охлаждением Пельтье. [c.113]

Итак, сравнение качества охлаждения холодильника Пельтье и лазерного твердотельного рефрижератора позволило авторам работы 145] провести интересную аналогию между охлаждением Пельтье и оптическим антистоксовым охлаждением и найти эквивалентные выражения для коэффициента Пельтье в обоих процессах. Оказалось, что при лазерном охлаждении эквивалентный коэффициент Пэкв из формулы (2.174) тоже зависит от температуры, но по своей величине меньше, чем коэффициент Пельтье который прямо пропорциона- [c.117]

Наблюдение антистоксова охлаждения молекул газа и жидкостей также оказалось небезуспешным. В 1981 году диоксид углерода, находящийся под низким давлением, был лазерно охлаждён с 600 К до 599 К [5]. Эксперимент проводился при оптической накачке 10,6 мкм СО2 лазером. В процессе охлаждения принимали участие переходы между симметричным и антисимметричным вибрационными состояниями. Ввиду переходов с излучательной релаксацией антисимметричной моды в основное колебательное состояние, которые были весьма вероятны, термическая населённость опустошённой основной симметричной моды, поддерживаемой некоторым запасом газа Хе, охлаждала смесь СОз-Хе. [c.120]

Идея лазера, работающего без выделения тепла, впервые была высказана в 1999 году С. Боуманом [149], где процессы лазерной генерации и антистоксового охлаждения протекают в одной и той же системе [c.138]

Данная монография посвящена одному из перспективных и интереснейших направлений лазерной физики — лазерному охлаждению твёрдых тел и перспективам создания твердотельного оптического рефрижератора. Её написание вызвано желанием авторов монографии дать ответы хотя бы на часть многочисленных вопросов специалистов в области когерентной оптики и спектроскопии о физике лазерного охлаждения твёрдых тел, о путях достижения более глубокого охлаждения и о возможности создания твердотельных лазерных рефрижераторов, самоохлаждающихся твердотельных лазеров и эхо-процессо-ров с оптически охлаждаемыми носителями информации. Эти вопросы возникли уже в 1995 году сразу же после сообщения о постановке в США первого твердотельного эксперимента по лазерному охлаждению. Их число росло с появлением новых экспериментальных работ, которые требовали объяснения с единых позиций в одном издании. Более того, наметились перспективы по использованию антистоксова механизма охлаждения для понижения температуры активных элементов твердотельных лазеров и носителей информации оптических эхо-процессоров. Одним из способов решения таких практически важных задач является дополнительное легирование твердотельной среды ионами трёхвалентного иттербия или тулия. Другие способы оптимизации работы, например, оптических эхо-процессоров так или иначе уже обсуждались в радиоспектроскопии. В основе этих способов лежит спин-локинг и различные режимы многоимпульсного сужения однородной ширины спектральных линий. Поэтому авторы данной монографии сочли целесообразным кратко описать эти режимы и провести анализ возможности их реализации в оптическом диапазоне. Это описание завершается обсуждением конкретной схемы такого фазового процессора с оптически охлаждаемым носителем информации. [c.6]

Физический механизм радиационного охлаждения посредством антистоксовой флуоресценции был изначально предложен П. Прингсхей-мом в 1929 году [3]. В отличие от трансляционного охлаждения сво- [c.8]

В начале 1980-х годов Дью и Уинтни из военно-морской исследовательской лаборатории наблюдали охлаждение углекислого газа СО2 на один градус в области луча накачки диаметром 1 см, проходившего сквозь цилиндр с газом, температура стенок которого поддерживалась равной 600 К [5]. Колебательный переход (100) (001) накачивался при помощи СО2 лазера мощности 300 Вт на длине волны 10,6 мкм. Охлаждение достигалось благодаря антистоксовой эмиссии на длине волны 4,3 мкм при переходах из антисимметричного состояния (001) в основное колебательное состояние (ООО). При установлении теплового равновесия происходит заселение симметричного состояния (100), которое затем опустошается при лазерной накачке. Процессу теплового перераспределения населённостей содействуют три фактора близость к резонансу первого обертона (010), постоянная температура окружения 600 К, добавление к СО2, парциальное давление которого 64 мТорр, инертного газа Хе, парциальное давление которого равно 0,2 Topp. В качестве буферного газа ксенон выгоден своей малой теплопроводностью, а также тем, что он слабо влияет на девозбуждение молекул СО2, находящихся в состоянии (001). Парциальное давление буферного газа подбиралось опытным путём из условия наиболее оптимального режима охлаждения. В отсутствие буферного газа давление двуокиси углерода устанавливалось на такой уровень, когда только начиналась девозбуждение состояния (001) в результате частых столкновений молекул. Это определяло плотность СО2, что, в свою очередь, задавало диаметр кюветы с газом, который составлял 127 мм, с той целью, чтобы сделать минимальным перепоглощение излучения на длине волны 4,3 мкм. Внутренние стенки цилиндра были выкрашены в чёрный цвет, чтобы избежать отражения излучения обратно в среду. Изменение температуры фиксировалось по изменению осевого давления при помощи ёмкостного манометра. В целом, форма снятой кривой зависимости изменения температуры от парциального давления буферного газа подтверждала наличие охлаждения. [c.48]

Рубин. Холодильный прибор, использующий в качестве механизма охлаждения антистоксовую флуоресценцию, во многом аналогичен лазеру, запущенном в обратном режиме мощное когерентное строго направленное излучение вносится в активную среду, которая переизлучает почти изотропно и на более высокой частоте широкополосный свет. Многие исследователи именно с этих позиций подходили к выбору перспективной среды для охлаждения. В частности, всего спустя год после наблюдения непрерывной лазерной генерации в рубине [86] уже была высказана возможность оптического охлаждения в районе температур ниже 100 К [48]. Процесс охлаждения предлагалось осуществить по следующей схеме оптическая накачка возбуждает ионы трёхвалентного хрома, находящиеся в основном электронном состоянии и переводит их на нижний уровень — расщепления отсюда при установлении теплового равновесия происходит переход на уровень вверх, с поглощением фонона энергии 29см последующие спонтанные оптические переходы из этих состояний в основное, известные как К и Я2 линии, приведёт к отводу тепла из кристалла. Подробный расчёт этой схемы приведён в посвящённом рубину разделе параграфа 2.4. Но на 1963 год не было подробной информации о процессах, которые препятствовали оптическому охлаждению в рубине. В результате этого невозможно было оценить величину вклада в нагрев процессов многофононной релаксации, процессов релаксации пар (троек, четвёрок) ионов Сг+ , зависимости от времени установления ион-решёточного равновесия, от перепоглощения флуоресцентного излучения. [c.55]

Общие замечания. На основе метода исключения бозонных операторов Боголюбова в предыдущих двух параграфах нами был развит математический подход, который позволяет из первых принципов получить точную иерархию кинетических уравнений для описания антистоксового лазерного охлаждения кристаллических твёрдых тел, активированных некрамерсовыми редкоземельными ионами. Результатом теоретического рассмотрения явилось получение выражений для установившейся температуры охлаждаемого образца как для случая высоких температур (2.126), так и для случая низких температур (2.123). Найденные выражения позволяют провести удовлетворительное сравнение с имеющимися экспериментальными результатами. Однако те приближения, которые приходится делать для получения таких простых выражений, требуют к себе более пристального внимания и при оценке результатов в каждом конкретном эксперименте нужно исходить из системы уравнений (2.110), (2.111). [c.101]

В качестве способа увеличения эффективности охлаждения рассмотрено сверхизлучение подсистемы трёхуровневых примесей и на основе развитого математического формализма второй главы проведено теоретическое исследование сверхизлучательного режима лазерного охлаждения с использованием вспомогательных коротких лазерных импульсов, а также режим лазерного охлаждения при условии накачки лазерным излучением, промодулированным с частотой фононного перехода. Однако, указанные ниже причины не позволили нам пока провести оценку эффективности охлаждения. В результате было показано, что при определённых условиях интенсивность антистоксового излуче- [c.101]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...