锥光纤微球型固体激光制冷器和制备方法及其制冷方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种锥光纤微球型固体激光制冷器的制备方法及其制冷方法。
【背景技术】
[0002]激光制冷也称为反斯托克斯焚光制冷(Ant1-Stokes Fluorescent Cooling)，于1929年提出，1995年第一次实现实验上0.3K的净制冷，2010年实现从室温降到了 155K。
[0003]固体激光制冷器，由于是光子激发稀土离子时将热量从基质中吸收后，以反斯托克斯荧光发射的方式将热量带出基质，实现制冷的方法，故也称为光子制冷泵。它与气体压缩制冷和液体循环制冷相比，具有全光性、全固体的独特优点，同时这种制冷器具有无振动和噪声、无电磁辐射和不产生电磁干扰、体积小、重量轻、可靠性高等特点，因此在航天航空、卫星、空间红外遥感、微电子、低温物理与工程、超导电子学、固态自旋电子学和量子计算、生物医学等领域具有非常诱人的应用前景。
[0004]目前，国际上激光制冷研宄常用的固体材料主要有稀土掺杂透明介质，包括玻璃和晶体，所用装置为块体状或光纤状。激光制冷工作物质的形状对激光制冷的效率有十分重要的影响。要实现激光的更高效制冷，就应使泵浦激光更多、更有效地激发制冷中心一稀土离子，而使产生的反斯托克斯荧光不被制冷中心再吸收，尽快离开工作介质。在所报道的实验技术中，在采用光纤形状装置后得到了更低的制冷温度。这是由于光纤状装置工作介质使泵浦光被约束在光纤中实现长光程传输，实现对泵浦光的充分吸收。而制冷中心产生的反斯托克斯荧光是自发辐射光，向各个方向散发出，不被约束在光纤纤芯中沿轴向传输，大部分从光纤表面散发出了，在光纤中的传输光程短，少被制冷中心重吸收。以上均有利于提高制冷效率。所以，在进行激光制冷器设计时，充分利用泵浦光的单色性和方向性，提高泵浦光的约束性并进一步提高功率密度是有益的，而反斯托克斯荧光是各向同性的，制冷器装置应可使其经最短光程离开制冷介质。
[0005]为满足以上要求，以往的制冷器装置设计有以下两种:一是采用体块状法布里一珀罗腔的装置，在块状装置两端镀上对泵浦光高反射率的薄膜，形成光学谐振腔，腔内就是制冷工作物质，这样就可以增加抽运光在工作物质内的往返次数，加大了制冷中心对抽运光的吸收，但这种方法不利于产生的荧光的向外辐射，荧光被重吸收概率大，降低了制冷效率；另一种方法是采用光纤状介质，光纤状装置约束激光，可以提高泵浦光的功率密度，增加制冷中心(稀土离子)对激发光的吸收，在光纤的两端加反射层，使泵浦光约束在光纤中往返传输，进一步增加吸收，另一方面可使荧光从光纤的表面射出，减少荧光再吸收的概率，但光纤不易于集成。
【发明内容】
[0006]本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明所要解决的技术问题是提供一种体积小、易于集成的锥光纤微球型固体激光制冷器，简单、高效的制备方法及其制冷方法。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是:一种锥光纤微球型固体激光制冷器，包括一用以耦合泵浦光以形成回廊模的微球，所述微球一侧设置有一锥光纤，所述锥光纤中部具有环向内凹以形成锥腰，所述微球的赤道面与其锥腰相切，所述锥光纤的一端连接有一用以输出激光作为泵浦光的激光器，所述微球与被制冷物体相连接。
[0008]进一步的，所述微球采用高纯度低声子材料为基材、并均勾混合一定比例稀土离子制成。
[0009]进一步的，所述激光器为半导体激光器或光纤激光器，其波长为泵浦光激发稀土离子以产生反斯托克荧光的上转换发光最大效率的波长。
[0010]进一步的，所述微球连接有导热柄，所述微球经导热柄与被制冷物体相连接。
[0011]进一步的，所述锥光纤的锥腰直径与微球的折射率、直径均相互匹配。
[0012]一种锥光纤微球型固体激光制冷器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
(1)制备锥光纤:采用普通单模光纤通过融熔拉锥制成中部具有环向内凹的锥光纤；
(2)制备微球:将掺杂有稀土离子的低声子材料融熔后拉制成细丝状，细丝通过加热融熔，在液体表面张力作用下形成光滑的带细柄的小球体；
(3)选取泵浦光:选取激光器输出的激光作为稀土离子的泵浦光，且所述激光器输出的波长为激发稀土离子以产生反斯托克荧光上转换最大发光效率的波长；
(4)组装锥光纤、微球、激光器:将微球的导热柄与被制冷物连接，在微球的一侧放置与微球赤道面相切的锥光纤，将激光器与锥光纤的一端相连接；
进一步的，在步骤(2)中，所述低声子材料为掺杂有稀土离子的重金属铅的氟化物玻璃ZBLANP 材料，所述 ZBLANP 材料其组成为:ZrF4、BaF2、LaF3、AlF3、NaF、PbFjP YbF 3，其摩尔比为 50~55:15-20:2-5:2-5:18-25:2:1。
[0013]进一步的，所述稀土离子为镱离子Yb3+、铒离子Er3+或铥离子Tm3+中一种或多种组入口 ο
[0014]进一步的，在步骤(2)中，所述制备微球具体步骤如下:熔化，选取掺杂有稀土离子的重金属氟化玻璃材料装在石墨舟中熔化，然后在空气中950°C下烧制一小时；除潮，接着在石墨舟中通入惰性气体保护气氛，并在700°C下烧一小时以减少锆的升华、去除其固有潮气；提纯，将熔融的液态掺杂有稀土离子的重金属铅的氟化物玻璃材料被放在石墨舟中进行电化学提纯；拉丝，将提纯的熔融状的掺杂有稀土离子的重金属铅的氟化物玻璃材料拉成几十微米细丝状，冷却后备用；烧制，将掺杂有稀土离子的重金属铅的氟化物玻璃细丝经纯净火焰烧成小球。
[0015]一种锥光纤微球型固体激光制冷器的制冷方法，包括如权利要求1~5所述的任一种锥光纤微球型固体激光制冷器，并按以下步骤进行:(I)先将被制冷物体直接置于微球导热柄顶部；(2)将泵浦激光耦合入锥光纤，打开激光器，接着激光通过锥光纤锥腰部耦合入微球赤道内表面形成回廊模，被制冷物体上的热量不断经导热柄向微球转移从而被制冷物体温度不断降低；(3)当被制冷物体吸收的热与排出的热达到平衡时，达到一恒定温度。
[0016]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:本发明基于以稀土离子作为制冷中心的反斯托克斯荧光制冷原理；锥光纤与微球的赤道面相切，它是将泵浦光高效耦合入光学微球的耦合器；泵浦激光高效地耦合入微球后，沿着赤道大圆不断进行全内反射，形成回廊模，回廊模的损耗很小，模式体小，功率密度高。第一，泵浦激光在微球内表面行进光程变得很长，与制冷中心充分作用，对稀土离子高效激发；泵浦激光有极高的能量密度，有更多的泵浦光激发稀土离子，产生的反斯托克荧光也更多，制冷效率提高；第二，稀土离子产生的反斯托荧光在微球表面向各个方向短距离辐射出，不被重吸收，也提高了制冷效率；微球与被制冷物间热传导快速，能将被制冷物体的热传导到微球，以荧光辐射形式散出。第三，锥光纤微球型固体激光制冷器体积小，重量轻，易于集成，有利于制冷介质对泵浦激光的吸收和反斯托运费克斯荧光的辐射，制冷效率高，制冷效果将更好。
[0017]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细的说明。
【附图说明】
[0018]图1为本发明实施例的构造示意图。
[0019]图2为本发明实施例的制备方法的流程示意图。
[0020]图3为本发明实施例的制备微球的流程示意图。
[0021 ] 图中:1-微球，2-锥光纤，21-锥腰，3-激光器，4-被制冷物体，5_导热柄。
【具体实施方式】
[0022]如图1~3所示，一种锥光纤微球型固体激光制冷器，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 一侧设置有一锥光纤2，所述锥光纤2中部具有环向内凹以形成锥腰21，所述微球I的赤道面与其锥腰21相切，所述锥光纤2的一端连接有一用以输出激光作为泵浦光的激光器3，所述微球I与被制冷物体4相连接。本发明基于以稀土离子作为制冷中心的反斯托克斯荧光制冷原理，泵浦激光高效地耦合入微球I后，沿着其赤道大圆不断进行全内反射，形