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全固态光学制冷机的首次亮相

发布:HPLSEeditor    |    2018-07-02 12:35    阅读:1727
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光学制冷:全固态制冷机成为现实

光学制冷可以成功地冷却任意大小的负载,这预示着新一代固态光学制冷机的美好前景。来自美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和新墨西哥大学的Markus Hehlen及其同事们用YLF:Yb的晶体制造了一台由光纤激光器泵浦的制冷机。设备依靠晶体的反斯托克斯荧光来冷却,通过由未掺杂的YLF和铜制冷凝管形成的热连接将HgCdTe传感器连接到冷却晶体上。当使用47W 1020nm的激光泵浦时,光学制冷机可以将传感器的温度从室温降低至135K。为了控制热流,需要将整个制冷机放置在真空室内,同时将YLF:Yb晶体置于赫里奥特气体吸收池的光学腔内。

摘要

固态光学制冷利用反斯托克斯荧光可以将宏观物体冷却至低温而不产生振动。如掺杂Yb3+的YLiF4(YLF:Yb)等晶体之前已被激光冷却到91K的低温。在这项研究中,我们首次展示了将有效载荷连接到冷却晶体的激光冷却技术。实验中,我们将YLF:Yb晶体置于赫里奥特气体吸收池内部,并用波长为1020nm的激光(47W)进行泵浦,成功地将正在工作的傅里叶红外光谱仪(FTIR)的HgCdTe传感器冷却至135K。首次展示的全固态光学制冷机是通过小心地控制各种期望的和不期望的热流来实现的。通过YLF:Yb冷却晶体与HgCdTe传感器上的铜制冷凝管之间的单扭折YLF热连接,将有效载荷的荧光加热最小化。YLF和YLF:Yb之间的无粘合剂结合表现出了优异的热可靠性。激光冷却组件由真空壳内的二氧化硅气凝胶圆柱体支撑,将来自温暖环境的热传导和热辐射最小化。我们的成果为未来光学制冷器设备的发展奠定了基础。

激光冷却材料(蓝色)被放置在散光的赫里奥特气体吸收池内,以便通过泵浦激光实现多路激励。传感器(红色)通过冷指(黑色)、镜子(灰色)和热连接(绿色)与激光冷却材料连接在一起。支撑元件(紫色)为组件在紧密贴合的蛤壳(橙色)内的安装提供了基底,蛤壳被安装在液体冷却基体上(深红色),并且内衬有低辐射涂层(橄榄色)。整个制冷机在真空室内(灰色)。

图1:固态光学制冷器组件的结构框图(未按比例)

(a)打开1020nm激光后,步进式从0W、12W、25W到47W,冷凝管(实线)和10%的Yb晶体(虚线)的时间关系曲线,4小时后冷凝管温度趋于稳定,达到134.9K。(b)47W激光泵浦下制冷机的热负荷曲线,初始斜率为0.31 K /mW

图2:固态光学制冷机的性能

用激光冷却的HgCdTe传感器(135 K,红色曲线)测量的低密度聚乙烯(LDPE)板材的FTIR光谱,以及对比之下,等效的液氮冷却的HgCdTe传感器(77 K,黑色曲线)测量的低密度聚乙烯(LDPE)的FTIR光谱。在光谱极限处观察到的较大的相对噪声仅仅是这些区域中的较小信号(HgCdTe灵敏度或光源亮度)造成的,噪声的幅度与波长无关。

图3:使用激光冷却HgCdTe红外传感器的FTIR光谱

来源:https://www.nature.com/articles/s41377-018-0028-7

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