本书基于反斯托克斯荧光冷却原理，详尽阐述了掺镱离子的钇铝石榴石晶体和氟化镥锂晶体在激光冷却过程中的实验问题。深入探讨了固体材料激光冷却的四能级模型理论，并对冷却效率和环境热负载进行了细致的分析；详细介绍了冷却参数的测量和计算过程，以确保实验数据的准确性和可靠性；对不同掺杂浓度的钇铝石榴石晶体在激光冷却方面的表现进行了深入研究，尤其关注了镱离子掺杂浓度对钇铝石榴石晶体激光冷却性能的影响；最后对掺镱离子的氟化镥锂晶体的激光冷却实验进行了全面研究，介绍了非共振腔增强吸收的方案，并研究了热负载管理的有效方案。
本书适合光学、机械等领域的科研人员、工程技术人员以及高等院校相关专业的师生阅读参考。

第1章 绪论001
1.1　概述002
1.2　固体材料激光冷却的基本原理和条件003
1.3　固体材料中掺杂稀土离子的电子壳层特性004
1.4　激光冷却材料及其特性007
1.4.1　晶体008
1.4.2　半导体010
1.4.3　光纤012
1.4.4　纳米晶粉末013
1.5　固体材料激光冷却技术的应用方向014
1.5.1　全固态光学制冷器014
1.5.2　辐射平衡激光器018
1.5.3　生物医学方面的应用021
1.6　本书的主要内容025

第2章 固体材料激光冷却的理论027
2.1　概述028
2.2　激光冷却的四能级模型028
2.3　经典的冷却效率031
2.4　修正后的冷却效率036
2.5　热负载分析038
2.6　本章小结039

第3章 冷却效率参数的测量实验041
3.1　概述042
3.2　荧光探测系统量子效率校准042
3.3　荧光谱046
3.4　吸收谱050
3.4.1　导易定理和McCumber 关系050
3.4.2　最佳制冷波长的吸收系数随温度的变化规律053
3.5　激光诱导热调变光谱测试(LITMoS) 056
3.5.1　硬件与软件056
3.5.2　红外热像仪校准059
3.5.3　激光诱导热调变光谱测试结果063
3.6　温度测量方法065
3.6.1　红外热像仪测温065
3.6.2　光纤布拉格光栅(FBG) 测温066
3.6.3　热电偶测温066
3.6.4　光热偏转光谱（PTDS） 测温066
3.6.5　干涉法测温067
3.6.6　光致发光(PL) 测温067
3.7　本章小结070

第4章 掺镱钇铝石榴石晶体激光冷却的理论与实验071
4.1　概述072
4.2　掺镱钇铝石榴石晶体性质072
4.3　光学冷却参数测量结果及其分析074
4.3.1　外部量子效率081
4.3.2　背景吸收系数084
4.3.3　平均荧光波长085
4.3.4　共振吸收系数087
4.3.5　冷却窗口088
4.4　激光冷却结果及其分析089
4.5　掺镱钇铝石榴石和氟化钇锂晶体激光冷却性能对比分析093
4.6　本章小结100

第5章 掺镱氟化钇锂晶体与掺镱氟化镥锂晶体的激光冷却的实验101
5.1　概述102
5.2　掺镱氟化钇锂晶体与氟化镥锂晶体性质对比102
5.3　荧光管理104
5.4　非共振腔增强吸收106
5.4.1　光束位置分析107
5.4.2　光学仿真模拟110
5.5　热负载管理111
5.6　掺镱氟化镥锂晶体激光冷却突破低温学温度115
5.7　本章小结122

附录123
附录A　Precilasers 可调谐光纤激光器性能参数124
附录B　两款海洋光学光谱仪性能参数比较125

参考文献126

光与物质的交互作用在光学交叉领域中展现出诸多令人着迷的现象，例如光操控、光加热或光冷却物体等。这些现象在材料科学、工业和医学等领域具有重要的应用价值。其中，光学制冷作为新型冷却技术，继机械制冷、液体制冷、电制冷和磁制冷之后，为各种应用场景提供了可靠、无振动的低温冷却方式。全固态光学低温制冷器基于固体材料激光冷却技术，具有结构紧凑、无振动等优势，可广泛应用于需要可靠、无振动低温冷却的各种场景。此外，固体材料激光冷却有望彻底解决某些光泵浦固体激光器的散热问题，消除增益介质的热梯度，实现辐射平衡激光器。
固体材料激光冷却技术的不断进步，源于对低温的追求。在近一个世纪的发展历程中，理论研究、材料生长工艺和激光技术的进步促使固体材料激光冷却家族成员不断壮大。其中，高纯度掺镱离子的氟化物晶体脱颖而出，成为实现辐射平衡激光器和低温光学制冷器的最佳材料之一。
本书以掺镱离子的钇铝石榴石晶体和氟化镥锂晶体作为激光冷却的研究对象，开展系统的冷却参数测量及冷却实验研究。主要内容概括如下。
① 搭建完善的样品冷却参数测试实验平台，获得完备的固体材料激光冷却参数。通过标准光源对荧光收集系统进行辐射强度校准后，在低温恒温器中进行测量，获得样品在80～300K下的荧光谱，并根据倒易原理推出样品的吸收谱。此外，设计并搭建激光诱导热调制光谱测试系统，获得晶体的外部量子效率和背景吸收系数。利用四能级模型推导固体材料激光冷却的效率公式，并结合实验测量的参数和冷却效率理论公式绘制晶体的“冷却窗口”，以表征晶体的激光冷却性能。此外，利用冷却窗口预判样品的最佳制冷波长和最低可达到温度，筛选出冷却性能较佳的样品。
② 开展1%～10% 镱离子掺杂浓度的钇铝石榴石晶体激光冷却理论与实验研究，分析镱离子掺杂浓度对各冷却效率的影响。研究显示某一特定镱离子掺杂浓度的钇铝石榴石晶体具有最佳的激光冷却性能。针对一系列不同掺杂浓度的钇铝石榴石晶体开展激光冷却实验，在相同实验条件下，3%和5%掺杂浓度的钇铝石榴石晶体的制冷温度明显低于其他掺杂浓度样品，其中镱离子掺杂浓度为3%的钇铝石榴石晶体实现了约80K的温降，创下目前钇铝石榴石晶体激光冷却的最低温度记录。
③ 对基于丘克拉斯基法生长的掺镱离子氟化镥锂晶体进行激光冷却研究。通过测量筛选出光学质量好及纯度高的样品，并设计“蛤壳”黑体辐射屏蔽结构，优化整个实验系统的热负载。利用置于高功率光纤激光器泵浦“蛤壳”中镱离子掺杂浓度为7.5%的氟化镥锂晶体，获得了(121±1)K 的激光冷却温度，低于美国国家标准与技术研究院(NIST)定义的低温学温度(123K)。据了解，国际上仅有美国新墨西哥大学与洛斯阿拉莫斯国家实验室利用氟化钇锂晶体以及笔者所在研究小组利用氟化镥锂晶体在实验上突破了低温学温度。此外，研究表明，熔融的氟化镥锂晶体可以为固体材料激光冷却和辐射平衡激光器等应用提供更高纯度的样品，是比氟化钇锂晶体更具吸引力的激光冷却材料。
本书是笔者在固体材料激光冷却领域研究成果的有机整合，受到山西工程科技职业大学科研基金项目(KJ202324)的资助。同时感谢华东师范大学印建平教授和钟标副研究员对笔者科研工作的指导!
限于笔者水平，书中难免有疏漏和不足之处，恳请读者批评指正。

雷永清
山西工程科技职业大学