空间遥感技术中反斯特林荧光制冷.doc

空间遥感技术中反斯特林荧光制冷应用及最新发展摘要激光诱导反斯托克斯荧光制冷, 在实际领域的应用经过15年多的发展完善目前已经飞速的越过了刚刚起步的时期，同1929年P.Pringsheim1提出的单一概念相比有了长足的发展。它在体积、重量、振动、电磁、寿命等方面都具有其他制冷方式所无法比拟的优点, 针对空间红外探测器致冷苛刻的空间环境具有良好的适应性。详细介绍了反斯托克斯荧光制冷目前发展的状况, 展望了它在空间遥感领域的应用前景。关键词：激光技术 制冷 空间遥感 反斯托克斯荧光 激光制冷引言地球环境和资源是当前世界发展所面临的重要问题，准确地获得地球环境和资源的信息是解决这一问题的前提。遥感卫星中红外遥感技术在信息获取和传送方面有着其他载体无法比拟的优势，人类正在充分利用红外遥感技术实现地球资源普查、环境监测、海洋资源调查、气象分析、天文观测、灾害监测与预报等。高性能红外遥感一起多采用光子半导体探测仪。红外光子半导体探测率和响应速度，至少比热探测器高两个数量级。但由于而且探测器由于自身温度高于绝对零度, 也会不停的向外辐射, 这就形成了来自探测器内部的噪声。很显然, 噪声的存在限制了探测器对微弱辐射信号的探测能力。另外红外光量子能量小，红外半导体材料的禁带宽度窄，所以为了防止载流子的热激发，这种红外探测器只有在低温条件下才能正常工作，从而降低本底热噪声，屏蔽和排除视场外的热干扰，提高探测精度和灵敏度，使其获得稳定、可靠的探测性能。空间地问题数涉及范围很广，总结可分为空间辐射制冷技术，空间机械制冷技术，半导体制冷技术，以及复合制冷技术。此外，还有如固体制冷，超流氦制冷，吸附制冷，磁制冷等新兴手段，而这里主要讨论激光制冷。一、空间制冷技术特点：低温制冷机为低温传感器和其他光学器件提供冷源，在空间环境中有以下特点：1、高真空环境（在几百万公里到一千万公里高度，真空度约为Pa）2、微重力场。（因此机械部件的设计有很大不同）3、辐射场包括各种射线和粒子。（如何减少干扰）4、高低温交变得温度场环境（34K背景辐射、地球反照、辐射及太阳辐射）是由于空间环境的特殊性, 空间致冷必须具备质量轻、体积小、寿命长、低功耗、低振动、低电磁辐射等特点才能满足其要求。上述几种致冷方式在不同方面均存在缺陷, 影响到红外探测器更好的发挥作用。虽然英国牛津大学研制的牛津型斯特林制冷机采用直线电机、间歇密封、柔性轴承等新技术, 使无故障工作寿命达到9 万小时, 但仍存在着散热、振动、辐射等较难克服的缺点。2二、共建制冷技术的要求345由于共建条件的特殊性，要求低功耗，长寿命，地震动，紧凑型和轻量化。1、制冷量和制冷温度 一半制冷量要求仅为几个毫瓦到几百个毫瓦。但随着列阵和焦平面器件应用，制冷量可达瓦级。表2-1 探测器对空间制冷温度的要求探测器类型工作温度/KHgCdTe红外探测器及前置放大器80105射线探测器、GaAs斯科特斯亚毫米波探测器6580亚毫米波放大器2065硅BIB红外探测器及前置放大器810NbN SIS红外探测器48锗BIB红外探测器及前置放大器24辐射热测量器0.1表2-2 空间飞行任务对制冷的要求空间飞行任务工作温度/K制冷量对地观测101051mW10W射线天文学801251mW10W红外天文学0.30.51W100mW宇宙射线测量约410mW相对论测量，微重力测量0.0011.51W10mW基础研究和测量110100mW2、工作寿命（MTBF）发展方向是消除摩擦、磨损，发展无磨损甚至无运动部件的制冷剂。3、信噪比 空间遥感系统中两个主要的噪声源为低温制冷机的震动和电磁干扰。较普通制冷机要严格的多4、功耗 空间环境中能源受到限制，功耗尽可能要小，COP尽可能要高。5、稳定性三、激光制冷机反斯托克斯荧光效应（Anti-Stokes Fluorescent Cooling）1、激光制冷原理也称反斯托克斯荧光效应制冷，即利用荧光从玻璃或晶体中移除热量，也就是用激光将热量泵送出来。在自然界中，普遍才能在辐射光的散射现象，分为表面反射和体内反射，而体内反射是由于物质内颗粒不均匀所致，又分为弹性散射和非弹性散射。其中弹性散射的散射光波长都与入射波长一直，介质中某个原子或分子吸收了一个入射光子月前到高能态然后自发辐射回落到某个低能态，该低能态是激发前的能态。若此低能态的能量比激发前的能量高，则散射光的频率低于入射光的频率，这种散射成为斯托克斯散射；相对的，如果此低能态的能量比激发前的能量低，则散射光的频率高于入射光的频率，这种散射成为反斯托克斯散射，发出的光辐射就是荧光。有普朗克光子公式式中，h为普朗克常数，v为频率，c为光速，为波长。这样激光制冷技术利用了反斯托克斯荧光制冷。可以产生反斯托克斯荧光的材料必须具有发光中心，发光中心是指在某种条件下能够发射光子的原子、分子、离子和缺陷，这些发光中心吸收能量较低的光子，然后发射能量更高的荧光光子，两种光子之间的能量差来自材料的热激发，而这种能差会随着荧光的反斯托克斯发射将能量从材料带走，从而实现了对材料的制冷。激光制冷利用高相干、高单色性和高能量密度的激光作为激发光进行泵浦，如图3-1 所示，这个过程可以描述如下：激发过程 当发光中心受到光激发，从基态跃迁到激发态的较低能态子能级；吸热过程 激发态的Stark 劈裂能级间的距离最大只有几个kT，k 为玻耳兹曼常数，T 为制冷时的绝对温度。由于激发跃迁，激发态劈裂能级间的热平衡被破坏，在极其短暂的时间内(几个皮秒或更快)，这些劈裂能级通过吸收声子，重新达到热平衡；吸热过程 处于激发态的粒子会快速以辐射跃迁的方式弛豫到基态能量较低的劈裂能级，荧光辐射弛豫一般发生于纳秒到毫秒量级的时间尺度内，比激发态之间的热平衡要慢得多；退激发过程 由于辐射跃迁，基态劈裂能级间的热平衡也被破坏，发生与过程相似的热弛豫。通过反斯托克斯荧光发射对介质材料进行激光制冷必须具备以下条件：材料具有可是之发光的荧光中心；长波长的光为激发光，短波长的光为发射光；发光中心的辐射跃迁的效率接近100%，即要求介质具备比较宽的能级间距，具有非常高的纯净度，从而抑制无辐射驰豫所引起的热效应；基态和激发态中的多重态间的能量间距需较小，保证多重态在平衡受扰动时能以声子形式吸热而迅速恢复平衡；泵浦激发波长的选择要尽可能调谐到材料吸收光谱的红边，以便发生有效的反斯托克斯荧光过程9。其次，入射激光应具有相对合适的波长，以满足原子的能态状态从基态顶层向激发态底层跃迁的能量要求。2由能量平衡分析法可得出激光制冷的制冷量与制冷系数。激光制冷效应的制冷量等于入射激光与出射荧光的能量差。尔制冷系数为制冷量与入射激光能量之比。在辐射跃迁量子效率100%的理想条件下，以波长为自身变量的制冷量和制冷系数COP分别表示为 （3-1） （3-2）式中，为吸收几首激光光子而得到的能量；为入射波长；为出射荧光波长。2、激光制冷的发展历史1929 年, Pringsheim 最先提出了通过反斯托克斯荧光对材料进行制冷的思想1。1946 年，著名物理学家朗道根据热力学原理，证明利用反斯托克斯荧光对材料进行制冷是可行的。1950 年，法国科学家Kastler研究了在圆偏振光的照射下，钠蒸气劈裂的塞曼能级和在氯化钠晶体中的稀土离子电子跃迁的振动边带，发现了“Lumino-Caloric”效应，提出可以采用稀土金属离子作为光致发光的荧光中心来实现荧光制冷. 61981 年，N. Dieu 等人利用CO2 激光器激发CO2气体，使其动态跃迁，首次在实验中观察到了气体的反斯托克斯荧光制冷现象7。1995 年，激光制冷在实验上获得了历史性的进展，美国Los Alamos 国家实验室的Epstein 等人，利用掺杂Yb3+重金属氟化物玻璃ZBLANP (ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3- NaF-PbF2)进行激光冷却，实验得到了相对于室温0.3 K 的降温8，从而第一次得到了净制冷的激光冷却，此后，该小组又利用此种重金属氟化物玻璃相继获得了相对于室温16、21、65、90 K的温降。3、激光制冷的材料用于激光制冷的主要稀土掺杂离子是Yb3+和Tm3+。选择稀土离子Yb3+是因为其具有简单的能级结构，如图2 所示，Yb3+只有两个非均匀展宽的能级，基态是2F7/2，在无对称性的晶体场中可劈裂为4 个Stark能级；激发态是2F5/2，在无对称性的晶体场中可劈裂为3 个Stark 能级8。激发态和基态之间有近1 m的能级劈裂，约为1.3 eV，因此，其多声子弛豫速率非常小，可以忽略不计，其辐射跃迁的量子效率接近于1。在基态能级和激发态能级上，多重态子能级间具有几个kT 的间距，因此在室温下，依靠声子吸收就可以达到布居再分布的目的。多重态中，子能级间的布居再分布速度非常快，所需时间与Yb3+离子的荧光发射寿命相比完全可以忽略10。Tm3+的能级结构如图3-2 所示。Tm3+具有3H6、3H4、3H5 和3F4 等能级，其中，3H4 有9 个多重态Stark 分裂子能级，3H6 有13 个Stark 分裂子能级11，这两个能级间有较大的能级间距，所以选择3H4 和3H6 为激光制冷工作能级，3H4 为激光泵浦上能级，3H6 为激光泵浦下能级，能级间距约为6 000 cm- 1，Miniscalco 等人测量了多种基体材料的无辐射跃迁几率与能级间距的关系。对于Tm3+的3H6!3H4 能级，ZBLAN 材料的无辐射跃迁几率为0.64 s- 1，这远小于其荧光辐射跃迁几率83 s- 1。因此，Tm3+掺杂ZBLAN 材料的量子效率很高，符合激光制冷的要求。12另外，一种稀土离子Er3+的能级结构也适合上转换发光，因此也常用作激光制冷材料的掺杂离子。4、典型激光制冷装置1995 年，美国Los Alamos 国家实验室的Epstein等人8首次实现了固体的激光冷却，观察到了净制冷现象。图3-3是其实验装置示意图该实验装置有激光发生传输系统、荧光采集分析系统、真空系统及制冷介质样品组成。激光发生传输系统包括Ti-蓝光宝石激光发生器、凸透镜、光纤、显微镜物镜、全反射镜。荧光采集分析系统包括显微镜物镜、凸透镜、光纤、和光频谱仪。真空室的三个壁面上安装了氧化硅窗，用以实现样品与环境的绝热，为激光和散射荧光提供进出真空室的通道。制冷材料为掺杂Yb3+的重金属氟化物玻璃ZBLANP，掺杂Yb3+离子的质量分数为1%。实验中采用两个尺寸为2.5 mm2.5 mm6.9 mm 的棒状玻璃，由4 根水平安置的直径125 m、长约2 cm 的氧化矽纤维固定在4 根垂直安置的支撑架上。真空室内壁涂黑以吸收散射泵浦辐射和荧光，同时降低黑体发射率，减小环境对制冷材料的影响。Ti-蓝宝石激光器发射的激光通过凸透镜、光纤和显微镜物镜组成的耦合系统入射到制冷元件的左端，沿长轴进入制冷材料，未被吸收的激光通过显微镜物镜和全反射镜组成的反射光路再次进入制冷元件。由显微镜物镜采集散射的反斯托克斯荧光, 并通过凸透镜和光纤传送到光谱仪进行光谱分析，同时用一个InSb 探测器测量样品上一个小点的黑体辐射，探测到了被照射样品低于环境温度0.3 K 的净制冷效应。1998 年，美国Los Alamos 国家实验室的Edwards等人提出了一种新颖的荧光制冷器方案LASSOR（Los Alamos Solid State Optical Refrigerator）31，如图3-4 所示。他们设计的制冷器采用圆柱状的Yb3+重金属氟化玻璃ZBLAN 作为制冷材料，两个端面均镀对泵浦光高反射率的反射膜以作为反射镜。泵浦光通过光纤由制冷器一侧镜面上的小孔射入制冷介质，然后在两块反射镜形成的腔内来回振荡，实现制冷材料对泵浦光的多次吸收。制冷元件放在抽成真空的真空室内，真空室内壁覆盖一层涂敷层，该涂层具有很低的热辐射率，同时可以吸收制冷时产生的荧光。最上面的圆柱形导热体称为冷指，可以把热负载置于冷指，获得制冷。2000 年，Los Alamos 国家实验室的Edwards 等人公布了当时正在建造的激光制冷样机13。其结构如图3-5 所示，在这台样机中，制冷材料、冷指和支撑机构都集成在一个小的真空室中。利用同心的G!10 玻璃钢同心管来支撑冷却材料及冷指。采用导热系数为0.002 8 W/(cm- 1)的G!10 玻璃钢，测得在管内外温度差为200 K 时，热传导导致的热漏仅为8 mW。真空室的内壁涂敷了一层降低热辐射的涂层。设计者通过计算得到该系统的制冷功率，在温差为200 时可以达到100 mW。目前，该装置的实验结果还没有报道。2003 年，美国Ball 空间技术公司(Ball Aerospace &Technologies Corp.)宣布制成了世界上第一台光学冰箱的实验室样机。在该样机中，制冷元件采用掺杂Yb3+、质量分数为2%的ZBLAN 柱状玻璃，采用了类似于LASSOR 的反射膜结构以提高泵浦光的吸收。制冷元件直接粘结到一个所谓的焦平面结构上，以便吸收热量。制冷元件和焦平面结构被支承在具有低热导率的折叠管上。泵浦激光经光纤，从制冷材料端面上的一个小孔导入。该样机包括光纤接头在内的尺寸大约为14 cm40 cm5 cm，质量约1.4 kg。用21 W 激光可在80 K获得400 mW 制冷量，相对于室温获得了11.8 K 的温降。2004 年，该公司用相同样机，在14 W 的1 030 nm激光泵浦下，获得了15.8 K 的温降。5、激光制冷存在的问题和研究方向在材料方面，从强化反斯托克斯效应角度出发，继续寻找具有大能量间距的荧光中心，即具有恰当能级机构的原子（或离子、基团）作为制冷元件的荧光中心，以提高激光制冷循环的制冷效应，并且要进一步提高发光介质的纯净度，从而减少杂质引起的无辐射驰豫寄生热对制冷量的消耗；由于泵送光源的单色性是影响制冷效率的重要因素，要求提供能满足特定波长要求的高功率、高效率、低成本的激光发生器；诸如优化光路设计，改进绝热系统，完善整体结构设计等也是今后努力的方向四、综述经过70年来的理论和实验研究，尤其在近年来，激光冷却技术得到了人们的极大关注，通过对原理、材料、结构和工艺等方面的研究，获得了很大的进展。同时也存在一定的问题需要继续研究。提高制冷效率和实现激光制冷机，即所谓的激光冰箱将是研究的热点。由于激光制冷技术具有诸多优点，在实验和应用上都将会获得蓬勃发展。毕竟其体积小、重量轻、无振动和噪声、无电磁影响、无环境污染、可靠性高、寿命长等优点，值得我们进一步进行深入研究。参考文献：1 Pringsheim P. Zwei bemerkungen uber den unterschied von lumineszenz-und temperatrahlung J. Z Phys,19292许国太, 闫春杰等 空间用斯特林制冷机结构的发展 真空与低温Vacuum & Cryogenics 20083表2-1 桥本魏洲 磁制冷及磁制冷材料应用，东京：工业调查会.19874表2-2 桥本魏洲 磁制冷东京：工业调查会.19845陈邦国等 最新低温制冷技术（第二版）.机械工业出版社6 KASTLER A. Some suggestions concerning the production and detection by optical means of inequalities in populations of levels of spa