Laser cooling of solids
在激光冷却稀气相原子和离子方面取得了巨大的进展，并在1997年和2001年获得了物理学诺贝尔奖，与此同时，固体的激光冷却也取得了重大进展。我比较了原子和离子的激光冷却与固体的激光冷却的物理性质。我指出了激光物理学这个新的、非常有前途的领域的所有优点。目前固体的激光冷却（光制冷）可大致分为三个领域：离子掺杂玻璃或晶体中的激光冷却，半导体（块状或受限，如量子阱结构）中的激光冷却，以及辐射平衡激光器。所有这三个领域都同样重要和有希望，都在文件中涉及。
2009-07-10 physics.optics physics.space-ph
Detecting Hollow Electron Beams via Smith-Purcell Radiation from a Metasurface
该研究提出利用相对论空心电子束在超表面上方产生的相干Smith-Purcell辐射实现空心束探测，可区分空心与实心束、检测其双层内部结构，且结论适用于多种周期结构与超表面，为相关新兴应用提供支撑。
2024-05-14 physics.optics
Raman Cooling of Solids through Photonic Density of States Engineering
固体振动态的激光冷却可以通过稀土元素的光致发光、光力学中的光学力和布里渊散射光-声相互作用来实现。通过自发拉曼散射的固体的净冷却和间接带隙半导体的激光制冷都仍然是未解决的挑战。在这里，我们分析表明，光子态密度（DoS）工程可以解决实现自发拉曼冷却的两个基本要求：抑制斯托克斯（加热）跃迁的主导地位，并提高反斯托克斯（冷却）效率超出材料的自然光吸收。我们开发了一个通用模型的DoS修改自发拉曼散射概率，并阐明了必要的和最低条件所需的实现净拉曼冷却。与一个适当的工程DoS，我们建立了诱人的可能性，本征硅的制冷通过湮灭声子从所有的拉曼活性模式同时，通过一个单一的电信波长泵。该结果指出了用于任何透明半导体（包括间接带隙半导体）的激光冷却的高度灵活的方法，远离显著的光学吸收、带边状态、激子或原子共振。
2015-07-31 physics.optics
Laser-induced anti-Stokes fluorescence cooling of ytterbium-doped silica glass by more than 6 Kelvin
固体的激光冷却是在相干激光照射材料时实现的，并且热量通过产生的反斯托克斯荧光提取。在过去的一年中，净固体激光冷却首次在掺镱石英玻璃中在体样品和光纤中得到成功证明。在这里，我们将以前发表的结果提高了一个数量级，并报告了低于环境温度的6K以上的冷却。这一结果是迄今为止我们所知的石英玻璃的固体激光冷却中达到的最低温度。我们提出的细节上进行的实验，使用20 W的激光器在1035 nm波长和温度测量使用热摄像机和差分发光测温技术。
2020-11-23 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Solid-state laser cooling of Yb3+-doped KY3F10 to 145 K
Leibniz-Institut für Kristallzüchtung（莱布尼茨晶体生长研究所）；Fraunhofer Institute of Optronics, System Technologies and Image Exploitation (IOSB)（弗劳恩霍夫光学系统与技术及图像利用研究所）
通过 100 瓦 1020 纳米泵源实现 Yb³+掺杂 KY₃F₁₀ 至 145 K，展示其作为激光冷却介质的潜力。
2026-03-11 physics.optics
A new technique for laser cooling with superradiance
本文提出了一种新的理论方案，用于激光冷却掺稀土固体的光学超辐射（SR），这是由激光激发的固体基质（玻璃或晶体）中的稀土离子系统的光子的相干的、尖锐定向的自发发射。采用功率为433 W、脉宽为10 ns的矩形脉冲光源，在波长为1015 nm的泵浦下，对掺Yb ~（3+）的ZBLAN样品进行了实验研究。SR的强度与激发离子数的平方成正比。与传统的具有反斯托克斯自发非相干辐射（荧光）的稀土掺杂固体的激光冷却相比，SR的这种独特特征允许冷却过程的速率的显著增加。该方案克服了激光冷却只能使用低声子能量基质的局限性。
2010-07-19 physics.optics
Purcell-enhanced emissions from diamond color centers in slow light photonic crystal waveguides
本文提出利用金刚石慢光光子晶体波导实现内嵌硅空位色心的宽带光学耦合，展示了高达70的高群指数波导模式及Purcell增强发射，为构建稳健的自旋-光子接口提供了实用平台。
2025-03-03 physics.optics quant-ph
A self-injected, diode-pumped, solid-state ring laser for laser cooling of Li atoms
基于Nd：YVO $_4$环形腔二次谐波激光器，我们研制了一台用于激光冷却锂原子实验的固体光源。单向激射，一个改进的模式选择，和一个高输出功率的环形激光器是通过弱耦合到一个外腔，其中包含单频操作所需的损耗元件。连续频率调谐是通过同时控制内、外腔中的两个PZT来实现的。该光源已被用来捕获和冷却费米锂原子进入量子简并制度。
2015-04-09 physics.atom-ph physics.optics
Adaptive four-level modeling of laser cooling of solids
稀土掺杂固体的激光冷却已经在广泛的材料平台上得到了证实，激发了简单的唯象模型的发展，如四能级模型，以阐明激光冷却在各种操作条件下的普遍性质。然而，这些模型通常需要输入的全吸收光谱，必须提供实验或额外的复杂的原子建模。在这封信中，我们建议，一个四能级模型，当扩展到承认有效的能级自适应的泵浦光子能量，可以准确地预测作为温度和泵浦频率的函数，使用只有很少的输入，如在一个单一的频率和温度下测量的吸收系数的冷却效率。我们的模型利用稀土离子激发的准平衡性质来确定有效的四个能级。该模型是有效的，对出版的实验结果的跨度的材料，包括镱/铥掺杂的玻璃和晶体。利用验证后的模型，导出了最佳泵浦频率和工作带宽的显式表达式。该模型大大简化了激光冷却的建模过程，有望促进光学制冷的进一步发展。
2021-09-06 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Laser cooling assisted thermal management of lightsails
光帆可以通过具有GW/m $^2$量级的强度的激光的辐射压力加速到超高速，但是这在光帆的热管理中提出了关键的挑战。在这封信中，我们探讨了适用的制度，固体激光器冷却散热，除了以前探索的辐射冷却方法。我们开始检查激光冷却的冷却能力，并表明，从微米厚的层掺杂镱离子的冷却速率可以超过黑体热发射。这允许在材料损坏时进行更强的激光照射，从而缩短加速距离。接下来，我们探讨了有限的工作带宽的激光冷却的影响，占多普勒频移的泵浦激光，并得出结论，激光冷却是有助于目标速度$\lesssim5\%$的室温操作。
2022-06-11 physics.app-ph physics.optics
A 750 mW, continuous-wave, solid-state laser source at 313 nm for cooling and manipulating trapped 9Be+ ions
我们提出了一个固体激光器系统，产生750 mW的连续波单频输出在313 nm。使用1550 nm和1051 nm的光纤激光器产生的和频在626 nm处产生高达2 W。这种可见光然后通过腔增强的二次谐波产生转换为UV。激光输出可以在495 GHz范围内调谐，其中包括9 Be+激光冷却和再泵浦跃迁。这是第一次报告的窄线宽激光系统具有足够的功率来执行容错量子门操作与捕获的9Be+离子通过使用受激拉曼跃迁。
2011-05-26 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Modeling radiation in particle clouds: On the importance of inter-particle radiation for pulverized solid fuel combustion
研究了颗粒间辐射对灰色和漫射颗粒团簇的重要性。每个单独的粒子的辐射冷却被发现随其在簇中的位置而强烈变化，并且提出了用于粒子簇的单粒子模拟或用于高细节模拟的平均辐射粒子冷却项，如大粒子簇的小子体积的直接数值模拟。辐射冷却对于煤气化炉和煤燃烧炉都很重要。拓宽颗粒尺寸分布被发现对辐射颗粒冷却只有很小的影响。对于大而致密的颗粒簇，情况尤其如此，其中基本上根本没有尺寸分布加宽的影响。对于更小和更稀的粒子团簇，分布加宽的效果是明显的，但仍然不是主导的。
2014-04-25 physics.optics
Solid-state laser system for laser cooling of Sodium
我们展示了一个频率稳定，全固体激光源在589 nm，高达800 mW的输出功率。该激光器依靠双谐振腔中的PPKTP晶体从1064 nm和1319 nm的两个激光源产生和频。通过优化腔参数，获得了高达2 W/W^2的转换效率。输出波长可在60 GHz以上调谐，这足以锁定钠D2线。我们的光源的鲁棒性、光束质量、光谱窄度和可调谐性使其成为钠原子原子物理学实验中染料激光器的替代品。
2009-10-26 cond-mat.other physics.optics quant-ph
Purcell-enhanced single-photon emission from InAs/GaAs quantum dots coupled to broadband cylindrical nanocavities
本研究利用Purcell效应将InAs量子点耦合至金属包覆的GaAs纳米柱，实现了38倍的发射速率增强和15 nm宽带单光子发射，为开发GHz级固态量子发射器提供了重要进展。
2025-04-27 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Stimulated radiative laser cooling
建立一个基于热能转换为光能的冰箱是一个持续的工程挑战。在明确限定的条件下，主体基质中的掺杂剂材料的自发反斯托克斯荧光能够降低主体温度。荧光将储存在主晶格振动振荡中的一部分热能带走。特别是，将该原理应用于（固态）激光器的冷却开辟了许多潜在的器件应用，特别是在高功率激光器领域。本文提出了一种可供选择的光学冷却方案，用于固体激光器的辐射冷却。它基于通过受激非线性过程而不是自发过程将存储在主机中的热能转换为光能。这将导致更好的冷却效率和将原理应用于设备应用的更高潜力。
2007-07-14 physics.optics
Mie Resonance Enhancement of Laser Cooling in Rare-Earth Doped Materials
固体激光冷却因其广泛的应用范围而备受关注，从机载和空间应用的厘米级全光学制冷机到生物和介观物理的纳米粒子冷却。纳米颗粒的激光冷却是一项具有挑战性的任务。我们提出利用米氏共振增强反斯托克斯荧光激光冷却在稀土（RE）掺杂的纳米颗粒制成的低声子玻璃或晶体。作为一个例子，我们考虑在1030 nm的Yb 3+吸收光谱的长波长尾部泵浦的Yb 3+：YAG纳米球。我们表明，如果纳米球的半径被调整到泵浦波长，以这样的方式，泵浦激发它的米氏共振模式的一些，在样品中产生的冷却功率密度是相当大的增强和样品的温度因此是相当大的（~ 63%）降低。这一概念可以扩展到不同形状的纳米颗粒，并由不同的低声子RE掺杂材料制成，适合于通过反斯托克斯荧光进行激光冷却。
2021-02-25 physics.app-ph physics.optics
High-Yield, 150 ps Polymer Scintillators via Synergistic Purcell and High-Z Enhancement
Università degli Studi di Milano-Bicocca（米兰比可卡大学）；INFN - Sezione di Milano - Bicocca（意大利国家核物理研究所米兰-比可卡分部）；Istituto Italiano di Tecnologia（意大利理工大学）；IMEM-CNR（CNR电磁学与材料研究所）；Dipartimento di Scienza dei Materiali, Università degli Studi di Milano-Bicocca（米兰比可卡大学材料科学系）；Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Milano-Bicocca（米兰比可卡大学物理系）
本研究开发了一种可溶液加工的混合聚合物闪烁体，通过嵌入HfO2纳米颗粒和Ag-SiO2纳米天线实现高光产额（6.1光子/keV）与约150皮秒超快时间响应，克服了传统塑料闪烁体的性能瓶颈。
2026-09-28 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
All-solid-state continuous-wave laser systems for ionization, cooling and quantum state manipulation of beryllium ions
我们描述了用于铍离子光电离、多普勒冷却和量子态操纵的激光系统。对于中性铍的光电离，我们已经开发了一个连续波235 nm的源获得两个阶段的倍频从二极管激光器在940 nm。该系统在470 nm处提供高达400 mW的功率，在235 nm处提供高达28 mW的功率。为了控制铍离子，从四个红外光纤激光器通过和频产生和二次谐波产生在313 nm处的三个激光波长。在1051和1551 nm两束泵浦光的作用下，626 nm和313 nm的激光输出功率分别达到7.2 W和1.9 W。在1 W的313 nm功率下测量到低于0.5%/小时的强度波动（在8小时的操作期间）。这些系统用于将铍离子加载到分段离子阱中。
2013-06-17 physics.optics quant-ph
2.1-watts intracavity-frequency-doubled all-solid-state light source at 671 nm for laser cooling of lithium
我们研制了一台用于锂原子激光冷却的全固体激光器源，输出功率为2.1 W，单频输出波长为671 nm。它是基于二极管泵浦，掺钕原钒酸盐（Nd：YVO $_4$）在1342 nm工作的环形激光器。增益介质中的热管理的优化导致在基波波长处的2.5W的最大多频输出功率。我们开发了一个简单的理论，腔内二次谐波产生的有效实施，并将其应用到我们的系统，使我们能够获得高达88%的非线性转换效率。单模操作和调谐通过向谐振器添加标准具来建立。二次谐波波长可以调谐超过0.5 nm，并在超过6 GHz的模式跳频自由扫描被证明，对应于约10倍的激光腔自由光谱范围。对于原子物理学应用，可以相对于锂$D$线跃迁锁定输出频率。此外，我们观察到参量克尔透镜锁模时，失谐的相位匹配温度足够远离最佳值。
2013-01-03 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph physics.optics
Waveguide Excitation and Spin Pumping of Chirally Coupled Quantum Dots
University of Sheffield（谢菲尔德大学）；Queen’s University Belfast（贝尔法斯特女王大学）
该研究通过光子晶体波导远程激发量子点p壳层跃迁，利用手性实现高方向性（≥0.95）与珀塞尔增强结合，实验展示六倍衰变率提升，为片上自旋量子技术奠定基础。
2025-01-31 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Deterministic coupling of site-controlled quantum emitters in monolayer semiconductors to plasmonic nanocavities
固态单量子发射器是片上光子量子技术的关键资源，需要有效的腔-发射器耦合来实现超越单节点水平的量子网络。以前增强光-物质相互作用的方法依赖于在随机定位的量子点或色心周围形成纳米腔，但缺乏对量子发射器本身的空间控制，而这是缩放所需的。在这里，我们展示了一种确定性的方法来实现珀塞尔增强光刻定义的位置使用尖锐的角落的金属纳米立方体的电场增强和变形的二维材料。对于形成单层WSe 2的3 × 4应变诱导激子量子发射体阵列，我们显示了自发发射率增强，其中Purcell因子（FP）高达FP=1050（平均FP=272），单光子纯化和腔增强的量子产率从最初的1%增加到15%。我们的纳米等离子体平台的实用性适用于其他2D材料，包括氮化硼，为量子光子学开辟了新的进展。
2018-04-18 cond-mat.mes-hall physics.optics
Laser Cooling of Silica Glass
固体的激光冷却是当相干激光照射其吸收光谱的红尾时实现的，并且热量通过蓝移光子的反斯托克斯荧光来进行。固态激光冷却已经在几种材料中得到成功的验证，包括稀土掺杂的晶体和玻璃。石英玻璃是应用最广泛的光学材料，迄今为止，所有的激光冷却尝试都没有成功。除了其基本的重要性，许多潜在的应用可以设想为二氧化硅的反斯托克斯荧光冷却。这些潜在的应用范围从用于量子信息处理的光学电路的衬底冷却和用于引力波探测的高灵敏度干涉仪中的反射镜的低温冷却到高功率光纤激光器和放大器中的加热减少。在这里，我们报告了高纯度掺Yb石英玻璃样品的净冷却，这些样品主要是为高功率光纤激光器应用开发的，在制造过程中特别注意减少杂质并降低寄生背景损耗。由于低水平的杂质，Yb离子中的激发态的非辐射衰减速率在这些玻璃中非常小，导致接近1的量子效率。我们报告作为激光波长的函数的冷却效率的测量，从石英玻璃的量子效率计算。
2019-10-23 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Photonic refrigeration from time-modulated thermal emission
主动光子制冷对于实现鲁棒、紧凑、无振动的全固态制冷具有重要意义。目前提出的光子冷却方法是基于发光的，并且对发光效率提出了严格的要求。我们提出了一种新的光子冷却机制所产生的时间调制的热辐射。我们表明，这种机制具有很高的热力学性能，可以接近卡诺极限，但不依赖于发光。此外，我们的工作为冷却和能量收集应用的热发射的主动、时间调制控制开辟了令人兴奋的新途径。
2019-05-29 physics.optics
1.1 kW, 100 Hz room-temperature diode-pumped nanosecond laser by water immersion cooling
Tsinghua University（清华大学）；State Key Laboratory of Precision Space-time Information Sensing Technology（精密时空信息传感技术全国重点实验室）；Key Laboratory of Photonic Control Technology (Tsinghua University), Ministry of Education（教育部光子控制技术重点实验室（清华大学））
该研究通过水浸冷却实现了1.1千瓦、100赫兹室温二极管泵浦纳秒激光器，输出11焦耳脉冲能量，束质量因子为衍射极限的2.6倍，展示了室温纳秒激光器的高性能表现。
2026-01-07 physics.optics
Photoluminescent cooling with incoherent light
本文研究了非相干光在光学制冷中的效率，发现只要入射辐射单向，相干性损失不影响制冷效率，热力学允许用发光二极管或过滤阳光等非相干源实现近乎激光的高效光学冷却，为紧凑型全固态制冷器件设计提供指导。
2024-08-22 cond-mat.other cond-mat.stat-mech physics.optics
Laser Cooling Characterization of Yb-Doped ZBLAN Fiber as a Platform for Radiation Balanced Lasers
光纤激光器的热问题使光束质量恶化，阻碍了其功率缩放的最新进展。反斯托克斯荧光冷却被认为是一种可行的方法来平衡量子缺陷和背景吸收产生的热量。这种辐射平衡的配置依赖于冷却级稀土掺杂增益材料的可用性。在此，我们对掺镱ZBLAN光纤进行了一系列测试，以提取其激光冷却相关参数，并表明它是一种可行的辐射平衡激光冷却介质。特别地，进行详细的激光诱导调制光谱（LITMoS）测试以突出该光纤到冷却状态的转变作为泵浦激光波长的函数。数值模拟支持辐射平衡激光器的可行性，但强调实际的辐射平衡设计对光纤材料性能的要求更高，特别是对背景吸收，比固体激光器冷却实验。
2019-09-30 physics.optics
A scalable method for cavity-enhanced solid-state quantum sensors
School of Science, RMIT University（理学院，皇家墨尔本理工大学）
本文提出一种可扩展的腔体增强固态量子传感器方法，通过聚合物基薄膜腔体提升纳米钻石和六方氮化硼纳米颗粒的发光性能和磁感应灵敏度。
2025-09-23 cond-mat.mes-hall physics.optics
Continuous Lyman-alpha generation by four-wave mixing in mercury for laser-cooling of antihydrogen
冷却反氢原子对于未来的实验很重要，既可以通过高分辨率激光光谱来测试CPT对称性，也可以测量反物质的引力加速度。反氢的激光冷却可以在莱曼α（121.6nm）的强1 S-2 P跃迁上进行。本文介绍了一种基于固体基频激光器的莱曼α波长连续激光器。通过使用双光子和近单光子共振，可以扫描四波混频过程的整个相位匹配曲线。此外，还研究了基光束的光束轮廓对四波混频过程的影响。
2010-09-28 physics.atom-ph physics.optics
Laser Cooling of Germanium Semiconductor Nanocrystals
通过反斯托克斯光致发光的物质的激光冷却已经在凝聚介质中成功地实现，特别是利用实现亚100 K固态光制冷的稀土掺杂系统，其中光的发射频率由于热振动能量的吸收而超过撞击激光的发射频率。研究表明，半导体中的激光冷却具有实现低至~ 10 K的温度的潜力，并且其直接集成可以迎来独特的高性能纳米结构半导体器件。虽然最近已经报道了纳米结构II-VI族半导体的激光冷却，但是间接带隙半导体（例如IV族硅和锗）的激光冷却仍然是一个主要挑战。在这里，我们报告的异常观察占主导地位的反斯托克斯光致发光锗纳米晶体。我们将这一结果归因于超高纯度锗的汇流，高密度电子空穴等离子体的产生，非极性间接带隙半导体中纵向和横向光学声子的固有简并性，以及相称的空间限制效应。在高激光强度下，激光冷却的晶格温度可低至~ 50 K。
2021-01-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
