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激光使量子阱“变冷”

2008-12-27 11:50
林契于宸
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    作者:Valerie C. Coffey

 

    众所周知,激光可以应用于金属切割等工业应用,或具有作为防御武器的潜力:它们使人们想起强大的、可见的、灼热的光束。激光与冷却似乎是相反的两个方向。但是多特蒙德工业大学和波鸿鲁尔大学的研究人员已经朝着改变这种观念迈出了第一步,他们使用激光冷却半导体材料。[1]在该过程中,他们仔细选择激光束的波长,通过光致发光上转换,被辐照的材料将它的一些能量让渡给激光束。激光束中的光子吸收材料中粒子(光子)的一些振动能量,使目标的温度降低。虽然这种冷却效应已经对原子蒸气和凝聚态物质,例如染料溶液和玻璃,进行了广泛的测试,但其对另一类凝聚态物质——半导体材料的有效性仍未得到证实。


    在详细的实验研究中,Soheyla Eshlaghi和同事们测试了样品温度从液氮到室温下的宽范围内,激光导致的半导体量子阱的光致发光冷却是如何变化的。研究中使用的样品具有厚度从 2.8~39.3nm的未掺杂砷化镓(GaAs)量子阱,并被31nm厚的砷化镓铝(Ga0.35Al0.65As)势垒分隔开。研究人员使用牛津ITC 502型温度控制仪和加热器使样品温度从4K到室温下改变,放置在样品旁的GaAlAs传感器监测温度。他们将连续的钛宝石激光器的波长调谐到大约 800nm,强度大约为50W/cm2,直接照射到样品表面上,这使GaAs量子阱产生不同级别的反斯托克斯光致发光。


    研究人员将目光集中于11.7nm厚的量子阱上,在温度T低于80K、热能量kBT(kB为波尔兹曼常数)小于7meV的条件下,该量子阱在光致发光光谱中具有最明显的激子效应。在温度高于20K的测量中,最高冷却速率大约为能量△E=2kBT的激光失谐,这种失谐意味着量子阱的激光波长相对它的共振能量向下偏移一个光子能量。


    该实验还获得了其他几种值得注意的结果。研究人员发现反斯托克斯光致发光诱导冷却结构与温度有关,换句话说,一般而言激光的冷却效率随样品温度的升高而增加,这与其他冷却系统相似。此外,实验结果使计算理想激光波长与温度的函数关系成为可能。最后,共同控制样品温度以及仔细选择激光波长,可以优化激光冷却效率。

 

    半导体产品的精密性和低成本,对于激光冷却半导体技术是一个重要的优点。不仅免于振动的半导体冷却可能成为现实,而且也许某一天激光可以用来冷却其他激光。

参考文献:


1. S. Eshlaghi et al., Physical Review B 77, 245317 (2008).

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