專利名稱：光纖線圈型激光制冷器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光制冷技術(shù)領(lǐng)域，是一種采用光纖纏繞冷芯的方法進(jìn)行激光制冷的熒光制冷器。
反斯托克斯熒光制冷(Anti-Stokes Fluorescent Cooling)也被稱為激光制冷(Laser Cooling)。自1995年以來，該項技術(shù)取得了飛速的發(fā)展。目前，人們利用激光制冷的方法已經(jīng)得到了比家用冰箱冷凍室還低的溫度。由于這項技術(shù)具有全光性，基于它的制冷器具有體積小、重量輕、無電磁輻射、無振動、無噪聲等優(yōu)點，因此也就具有了非常誘人的應(yīng)用前景和符合軍事、空間、集成光學(xué)、微電子、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的特殊要求，而被國外研究者所重視。做為一項基本技術(shù)，激光制冷技術(shù)的突破必然會導(dǎo)致許多對溫度有特殊要求的高技術(shù)實用化，推動那些領(lǐng)域向前發(fā)展。
激光制冷介質(zhì)的形狀對制冷效率有著至關(guān)重要的影響，因為泵浦光束引入時都具有一定的幾何形狀，如何發(fā)揮泵浦光束的最大效用，是制冷器設(shè)計的一個關(guān)鍵。美國Los Alamos實驗室的技術(shù)人員在采用光纖樣品后就得到了更低的制冷溫度。另外，制冷介質(zhì)的形狀對泵浦光的吸收和反斯托克斯熒光的射出都起著關(guān)鍵的作用。原則就是讓泵浦光束的行進(jìn)光程盡可能地長，而反斯托克斯熒光的行進(jìn)光程盡可能地短。當(dāng)我們用激光泵浦時，泵浦光的方向性和準(zhǔn)直性是我們進(jìn)行制冷器設(shè)計時可以利用的兩大優(yōu)點。在進(jìn)行制冷器件的設(shè)計時，好的方向性和準(zhǔn)直性有利于泵浦光局陷(trapping)的實現(xiàn)。因此，也就可以得到另外一個推論，制冷介質(zhì)對泵浦光的散射越小越好。反斯托克斯熒光是備向同性的，不具備特殊的方向性，這樣的特征在進(jìn)行熒光制冷器的設(shè)計時，也要給予充分的考慮。因此，綜合泵浦激光和反斯托克斯熒光的這些特點，我們可以得到這樣的結(jié)論細(xì)長的介質(zhì)形狀最有利于熒光制冷。當(dāng)激光從一端輸入后，泵浦光可以沿著制冷介質(zhì)的軸向行進(jìn)比較大的光程，而發(fā)出的熒光又可以行進(jìn)很小距離就射出介質(zhì)之外。
本發(fā)明的目的是提供一種泵浦光束行進(jìn)光程長，反斯托克斯熒光行光程短的光纖線圈型激光制冷器。
光纖是典型的細(xì)長型光學(xué)元件，它對光的傳播具有束縛作用。目前在光纖通訊中使用的光纜可以將光信號傳播數(shù)百米。這樣的光程距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Los Alamos研究者們所設(shè)想的25米的光程。
本發(fā)明用激光泵浦光纖中的熒光制冷材料，使熒光制冷材料的稀土離子吸收激光，并發(fā)射出反斯托克斯熒光。由于發(fā)射出反斯托克斯熒光，光纖材料中的分子(離子)以光的形式釋放能量，降低能態(tài)，進(jìn)而溫度下降。
附圖為基于光纖的線圈型制冷器件原理性結(jié)構(gòu)，它由冷芯、繞在冷芯上的光纖、泵浦激光器、光束入射透鏡組、光束出射透鏡組、反射鏡等光學(xué)器件組成。所使用的光纖應(yīng)具有光纖內(nèi)芯和外包層結(jié)構(gòu)。光纖芯采用熒光制冷材料；外包層允許反斯托克斯熒光透過并且對泵浦激光具有局陷作用。冷芯對于反斯托克斯熒光沒有吸收，同時具有良好的導(dǎo)熱性。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。


圖1為本發(fā)明的示意圖，圖2為所使用光纖示意圖。圖中，1-泵浦激光器；在本實施例中選用二極管激光器或鈦寶石激光器，所發(fā)出的波長為1015納米；2-波長為1015納米的泵浦激光束；3-激光橫模擾亂器，其作用在于將入射的泵浦激光的橫模擾亂，以增加制冷光纖對激光的吸收；4-入射泵浦激光的準(zhǔn)直會聚光學(xué)透鏡組；5、6、7-激光制冷光纖，具體描述如圖2；8-冷芯，它的特點為不吸收泵浦激光和激光制冷光纖所發(fā)射的熒光，同時，它還具備良好的導(dǎo)熱性能。在本實施例中選用氯化鈉晶體作為冷芯的材料。冷芯的形狀為圓柱形，在它的表面上加工有與激光制冷光纖5、6、7的外徑相匹配的螺線槽，目的在于增加制冷光纖與冷芯的表面接觸，提高它們之間的熱傳遞；9-從制冷光纖7出射的泵浦激光；10-對出射激光9進(jìn)行會聚的光學(xué)透鏡組；11-高反射率的反射鏡，它的作用在于將會聚后的出射激光反射回制冷光纖7；12-光纖芯，本實施例采用的材料為ZBLANP:Yb3+玻璃；13-光纖外包層，采用對熒光沒有吸收同時對泵浦激光具有高反射率的材料。
本實施例的具體工作如下由激光器1發(fā)出的1015納米泵浦激光2首先經(jīng)過橫模擾亂器3，使泵浦激光具有混亂的橫模。光學(xué)透鏡組4對這樣的激光束進(jìn)行聚焦并使光束入射進(jìn)制冷光纖5中。制冷光纖芯12的Yb3+離子吸收1015納米波長的激光并發(fā)射出反斯托克斯熒光，從而使光纖5、6、7和冷芯8的溫度降低。冷芯8與光纖5、6、7之間的熱量是靠表面接觸傳遞的。沒有被吸收的泵浦激光從光纖7射出后經(jīng)由光學(xué)透鏡組10會聚到反射鏡11上，發(fā)射的激光再次經(jīng)過光學(xué)透鏡組10聚集進(jìn)入光纖7。如此設(shè)計的目的在于提高泵浦激光的利用率，增加光纖對泵浦激光的吸收。由于光纖中Yb3+離子所發(fā)射的熒光沒有方向性，絕大部分會穿過光纖包層13而射出。從而，實現(xiàn)了光纖線圈型激光制冷的目的。
本發(fā)明的冷芯8為圓柱形，表面有與制冷光纖5外徑相匹配的螺線槽，制冷光纖6纏繞在冷芯8上的槽內(nèi)。制冷光纖5、6、7由光纖芯12和光纖外包層13構(gòu)成，光纖外包層13包覆光纖芯12。光纖芯12是一種制冷材料，光纖外包層13是對熒光沒有吸收同時對泵浦激光2具有高反射率的材料。
本發(fā)明采用線圈型的結(jié)構(gòu)，制冷介質(zhì)為細(xì)長形狀，可以實現(xiàn)泵浦激光長的行進(jìn)光程長，有利于制冷介質(zhì)對泵浦激光的吸收，制冷效果顯著。同時使得反斯托克斯熒光易于射出，行進(jìn)光程短。
權(quán)利要求
1.一種光纖線圈型激光制冷器，包含有泵浦激光器(1)、制冷光纖、冷芯(8)等，其特征是泵浦激光器(1)發(fā)出的泵浦激光(2)，經(jīng)過橫模擾亂器(3)，被光學(xué)透鏡組(4)聚焦，進(jìn)入制冷光纖(5)內(nèi)，從制冷光纖(7)出射的泵浦激光(2)，被光學(xué)透鏡組(10)會聚到反射鏡(11)上，在反射鏡(11)反射后再經(jīng)光學(xué)透鏡組(10)聚焦返回制冷光纖(7)內(nèi)；所述的冷芯(9)為圓柱形的，制冷光纖(6)繞在冷芯(8)上，冷芯(8)由不吸收泵浦激光和反斯托克斯熒光，具備良好的導(dǎo)熱性材料制作而成；制冷光纖5、6、7，有光纖芯(12)和光纖外包層(13)兩部分，光纖芯(12)是熒光制冷材料，光纖外包層(13)是對熒光不吸收而對泵浦激光具有高反射率材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖線圈型激光制冷器，其特征是冷芯(8)的表面有與制冷光纖(6)的外徑相匹配的螺線槽，制冷光纖(6)繞在冷芯(8)表面的槽內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖線圈型激光制冷器，其特征是冷芯(8)的材料為單晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖線圈型激光制冷器，其特征是冷芯(8)的單晶體為氯化鈉晶體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖線圈型激光制冷器，其特征是光纖芯(12)所用的材料是ZBLANP:Yb3+玻璃。
全文摘要
本發(fā)明屬于激光制冷技術(shù)領(lǐng)域,是一種光纖線圈型激光制冷器。本發(fā)明基于反斯托克斯熒光制冷原理,利用光纖的細(xì)長結(jié)構(gòu),使泵浦激光在光纖中的行進(jìn)光程變長。主要由冷芯、繞在冷芯上的光纖、泵浦激光器、激光橫模擾亂器、光束入射透鏡組、光束出射透鏡組、反射鏡等光學(xué)器件組成。所使用的光纖應(yīng)具有光纖內(nèi)芯和外包層結(jié)構(gòu)。光纖芯采用熒光制冷材料,外包層允許反斯托克斯熒光透過并且對泵浦激光具有局陷作用。冷芯對于反斯托克斯熒光沒有吸收,同時具有良好的導(dǎo)熱性。本發(fā)明采用光纖線圈型結(jié)構(gòu),有利于制冷介質(zhì)對泵浦激光的吸收,制冷效果好。另外反斯托克斯熒光易于射出,行進(jìn)光程短。
文檔編號F25B23/00GK1300927SQ9912698
公開日2001年6月27日 申請日期1999年12月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月23日
發(fā)明者秦偉平 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所