錐光纖微球型固體激光制冷器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種錐光纖微球型固體激光制冷器。
【背景技術(shù)】
[0002]激光制冷也稱為反斯托克斯焚光制冷(Ant1-Stokes Fluorescent Cooling)，于1929年提出，1995年第一次實現(xiàn)實驗上0.3K的凈制冷，2010年實現(xiàn)從室溫降到了 155K。
[0003]固體激光制冷器，由于是光子激發(fā)稀土離子時將熱量從基質(zhì)中吸收后，以反斯托克斯熒光發(fā)射的方式將熱量帶出基質(zhì)，實現(xiàn)制冷的方法，故也稱為光子制冷泵。它與氣體壓縮制冷和液體循環(huán)制冷相比，具有全光性、全固體的獨特優(yōu)點，同時這種制冷器具有無振動和噪聲、無電磁輻射和不產(chǎn)生電磁干擾、體積小、重量輕、可靠性高等特點，因此在航天航空、衛(wèi)星、空間紅外遙感、微電子、低溫物理與工程、超導電子學、固態(tài)自旋電子學和量子計算、生物醫(yī)學等領(lǐng)域具有非常誘人的應用前景。
[0004]目前，國際上激光制冷研宄常用的固體材料主要有稀土摻雜透明介質(zhì)，包括玻璃和晶體，所用裝置為塊體狀或光纖狀。激光制冷工作物質(zhì)的形狀對激光制冷的效率有十分重要的影響。要實現(xiàn)激光的更高效制冷，就應使泵浦激光更多、更有效地激發(fā)制冷中心一稀土離子，而使產(chǎn)生的反斯托克斯熒光不被制冷中心再吸收，盡快離開工作介質(zhì)。在所報道的實驗技術(shù)中，在采用光纖形狀裝置后得到了更低的制冷溫度。這是由于光纖狀裝置工作介質(zhì)使泵浦光被約束在光纖中實現(xiàn)長光程傳輸，實現(xiàn)對泵浦光的充分吸收。而制冷中心產(chǎn)生的反斯托克斯熒光是自發(fā)輻射光，向各個方向散發(fā)出，不被約束在光纖纖芯中沿軸向傳輸，大部分從光纖表面散發(fā)出了，在光纖中的傳輸光程短，少被制冷中心重吸收。以上均有利于提高制冷效率。所以，在進行激光制冷器設(shè)計時，充分利用泵浦光的單色性和方向性，提高泵浦光的約束性并進一步提高功率密度是有益的，而反斯托克斯熒光是各向同性的，制冷器裝置應可使其經(jīng)最短光程離開制冷介質(zhì)。
[0005]為滿足以上要求，以往的制冷器裝置設(shè)計有以下兩種:一是采用體塊狀法布里一珀羅腔的裝置，在塊狀裝置兩端鍍上對泵浦光高反射率的薄膜，形成光學諧振腔，腔內(nèi)就是制冷工作物質(zhì)，這樣就可以增加抽運光在工作物質(zhì)內(nèi)的往返次數(shù)，加大了制冷中心對抽運光的吸收，但這種方法不利于產(chǎn)生的熒光的向外輻射，熒光被重吸收概率大，降低了制冷效率；另一種方法是采用光纖狀介質(zhì)，光纖狀裝置約束激光，可以提高泵浦光的功率密度，增加制冷中心(稀土離子)對激發(fā)光的吸收，在光纖的兩端加反射層，使泵浦光約束在光纖中往返傳輸，進一步增加吸收，另一方面可使熒光從光纖的表面射出，減少熒光再吸收的概率，但光纖不易于集成。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]本實用新型針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題做出改進，即本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種體積小、易于集成的錐光纖微球型固體激光制冷器。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型的技術(shù)方案是:一種錐光纖微球型固體激光制冷器，包括一用以耦合泵浦光以形成回廊模的微球，所述微球一側(cè)設(shè)置有一錐光纖，所述錐光纖中部具有環(huán)向內(nèi)凹以形成錐腰，所述微球的赤道面與其錐腰相切，所述錐光纖的一端連接有一用以輸出激光作為泵浦光的激光器，所述微球與被制冷物體相連接。
[0008]進一步的，所述微球采用高純度低聲子材料為基材、并均勾混合一定比例稀土離子制成。
[0009]進一步的，所述激光器為半導體激光器或光纖激光器，其波長為泵浦光激發(fā)稀土離子以產(chǎn)生反斯托克熒光的上轉(zhuǎn)換發(fā)光最大效率的波長。
[0010]進一步的，所述微球連接有導熱柄，所述微球經(jīng)導熱柄與被制冷物體相連接。
[0011]進一步的，所述錐光纖的錐腰直徑與微球的折射率、直徑均相互匹配。
[0012]進一步的，所述稀土離子為鐿離子Yb3+、鉺離子Er3+或銩離子Tm3+中一種或多種組入口 ο
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益效果:本實用新型基于以稀土離子作為制冷中心的反斯托克斯熒光制冷原理；錐光纖與微球的赤道面相切，它是將泵浦光高效耦合入光學微球的耦合器；泵浦激光高效地耦合入微球后，沿著赤道大圓不斷進行全內(nèi)反射，形成回廊模，回廊模的損耗很小，模式體小，功率密度高。第一，泵浦激光在微球內(nèi)表面行進光程變得很長，與制冷中心充分作用，對稀土離子高效激發(fā)；泵浦激光有極高的能量密度，有更多的泵浦光激發(fā)稀土離子，產(chǎn)生的反斯托克熒光也更多，制冷效率提高；第二，稀土離子產(chǎn)生的反斯托熒光在微球表面向各個方向短距離輻射出，不被重吸收，也提高了制冷效率；微球與被制冷物間熱傳導快速，能將被制冷物體的熱傳導到微球，以熒光輻射形式散出。第三，錐光纖微球型固體激光制冷器體積小，重量輕，易于集成，有利于制冷介質(zhì)對泵浦激光的吸收和反斯托運費克斯熒光的輻射，制冷效率高，制冷效果將更好。
[0014]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型做進一步詳細的說明。
【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型實施例的構(gòu)造示意圖。
[0016]圖中:1-微球，2-錐光纖，21-錐腰，3-激光器，4-被制冷物體，5_導熱柄。
【具體實施方式】
[0017]如圖1所示，一種錐光纖微球型固體激光制冷器，包括一用以耦合泵浦光以形成回廊模的微球1，所述微球I 一側(cè)設(shè)置有一錐光纖2，所述錐光纖2中部具有環(huán)向內(nèi)凹以形成錐腰21，所述微球I的赤道面與其錐腰21相切，所述錐光纖2的一端連接有一用以輸出激光作為泵浦光的激光器3，所述微球I與被制冷物體4相連接。本實用新型基于以稀土離子作為制冷中心的反斯托克斯熒光制冷原理，泵浦激光高效地耦合入微球I后，沿著其赤道大圓不斷進行全內(nèi)反射，形成回廊模，回廊模的損耗很小，模式體小，功率密度高。
[0018]在本實用新型中，所述微球I采用高純度低聲子材料為基材、并均勻混合一定比例稀土離子制成。在本實用新型中，所述稀土離子為鐿離子Yb3+、鉺離子Er3+或銩離子Tm3+中一種或多種組合，摻雜稀土離子為制冷中心，摻雜濃度適中，不產(chǎn)生對熒光的重吸收，不使熒光淬滅。所述高純度低聲子材料是氟化物玻璃/晶體、氟氯化物玻璃/晶體、氟氧玻璃陶瓷或碲酸鹽玻璃，其在可見光與近紅外波段損耗極小、透明、純凈。
[0019]在本實用新型中，所述激光器3為半導體激光器或光纖激光器，其波長為泵浦光激發(fā)稀土離子以產(chǎn)生反斯托克熒光的上轉(zhuǎn)換發(fā)光最大效率的波長。
[0020]在本實用新型中，所述微球I頂部或另一側(cè)連接有導熱柄5，所述微球I經(jīng)導熱柄5與被制冷物體4相連接，所述微球I可以直接與被制冷物體4直接連接。
[0021]在本實用新型中，所述錐光纖2的錐腰21直徑與微球I的折射率、直徑均相互匹配，以使泵浦光最大效率地耦合入小球。
[0022]在本實用新型中，所述錐光纖2、微球1、激光器3均置于真空隔熱腔中。
[0023]本實用新型的具體使用過程如下:(I)先將被制冷物體4直接置于微球I導熱柄5頂部；(2)將泵浦激光耦合入錐光纖2，打開激光器3，接著激光通過錐光纖2錐腰21部耦合入微球I赤道內(nèi)表面形成回廊模，被制冷物體4上的熱量不斷經(jīng)導熱柄5向微球I轉(zhuǎn)移從而被制冷物體4溫度不斷降低；(3)當被制冷物體4吸收的熱與排出的熱達到平衡時，達到一恒定溫度。
[0024]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，凡依本實用新型申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本實用新型的涵蓋范圍。
【主權(quán)項】
1.一種錐光纖微球型固體激光制冷器，其特征在于:包括一用以耦合泵浦光以形成回廊模的微球，所述微球一側(cè)設(shè)置有一錐光纖，所述錐光纖中部具有環(huán)向內(nèi)凹以形成錐腰，所述微球的赤道面與其錐腰相切，所述錐光纖的一端連接有一用以輸出激光作為泵浦光的激光器，所述微球與被制冷物體相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種錐光纖微球型固體激光制冷器，其特征在于:所述微球采用高純度低聲子材料為基材、并均勾混合一定比例稀土離子制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種錐光纖微球型固體激光制冷器，其特征在于:所述激光器為半導體激光器或光纖激光器，其波長為泵浦光激發(fā)稀土離子以產(chǎn)生反斯托克熒光的上轉(zhuǎn)換發(fā)光最大效率的波長。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種錐光纖微球型固體激光制冷器，其特征在于:所述微球連接有導熱柄，所述微球經(jīng)導熱柄與被制冷物體相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種錐光纖微球型固體激光制冷器，其特征在于:所述錐光纖的錐腰直徑與微球的折射率、直徑均相互匹配。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種錐光纖微球型固體激光制冷器，其特征在于:所述稀土離子為鐿離子Yb3+、鉺離子Er3+或銩離子Tm 3+中一種或多種組合。
【專利摘要】本實用新型涉及一種錐光纖微球型固體激光制冷器，包括一用以耦合泵浦光以形成回廊模的微球，所述微球一側(cè)設(shè)置有一錐光纖，所述錐光纖中部具有環(huán)向內(nèi)凹以形成錐腰，所述微球的赤道面與其錐腰相切，所述錐光纖的一端連接有一用以輸出激光作為泵浦光的激光器，所述微球與被制冷物體相連接。本錐光纖微球型固體激光制冷器泵浦激光在微球內(nèi)表面行進光程長，對稀土離子高效激發(fā)，且稀土離子產(chǎn)生的反斯托熒光在微球表面向各個方向短距離輻射出，不被重吸收，制冷效率高；另外本錐光纖微球型固體激光制冷器體積小，重量輕，易于集成。
【IPC分類】F25B23-00
【公開號】CN204494901
【申請?zhí)枴緾N201520066785
【發(fā)明人】黃衍堂, 林燕金
【申請人】福州大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年1月30日