ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ И ДАТЧИК, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ
OPTICAL COOLING DEVICE AND SENSOR CONTAINING SUCH A COOLING DEVICE

Настоящее изобретение относится к оптическому устройству охлаждения и детектору, содержащему устройство охлаждения.
Более конкретно, настоящее изобретение относится к оптическому устройству охлаждения, в частности для охлаждения инфракрасного детектора или датчика, причем устройство охлаждения содержит источник лазерного излучения, охлаждающий кристалл, выполненный с возможностью приема лазерного излучения из источника и охлаждения, охлаждаемый элемент и термозвено, состоящее в теплообмене, с одной стороны, с кристаллом, а с другой стороны - с охлаждаемым элементом, для переноса фригорий с кристалла на охлаждаемый элемент.
Для наблюдения за Землей с помощью спутника в области инфракрасного излучения необходимо охлаждать инфракрасные фотодетекторы или детекторы до криогенных температур, обычно ниже 200 К. Современные решения основаны либо на использовании пассивных систем, либо на активных системах на основе механических приводов.
Один известный способ оптического охлаждения основан на антистоксовом сдвиге частоты или «антистоксовой флуоресценции». См., например, US9362712, US60441610 или US8720219. Это решение основано на следующем физическом принципе: когда полосы излучения и поглощения материала (кристалла) накладываются друг на друга, возбуждение верхней части спектра поглощения приводит к излучению фотонов, которые обладают большей энергией, чем поглощенные фотоны. Эта разность энергий (излучения/поглощения) обусловлена аннигиляцией фононов в кристаллической решетке материала, где фононы являются квантами колебаний в твердых телах. В твердом состоянии тепловая энергия в основном содержится в колебательных модах решетки. В частности, тепловое возбуждение заставляет атомы колебаться вокруг своего положения равновесия. Следовательно, тепло извлекается из материала посредством антистоксовой эмиссии, что вызывает охлаждающий эффект. См. также публикацию М. Шейк-Бахе и Р.И. Эпштейна «Optical Refrigeration» («Оптическое охлаждение») Nat. Photonics 1, 12, 693 (2007).
Эта технология охлаждения потенциально применима для охлаждения датчиков в области космической техники.
В известных решениях термозвено состоит из сегмента материала (обычно сапфира) J-образной формы, торцевые поверхности (концевые секции) которого контактируют с кристаллом и охлаждаемым элементом, соответственно. Форма J или ломано-линейная форма предусмотрена для удаления кристалла с оси плоскости охлаждаемого элемента при минимизации передаваемого излучения (см. US2015075181A1).
Однако известные устройства не очень совместимы с ограничениями некоторых применений, в частности, применений в космосе.
Эти ограничения или недостатки предшествующего уровня техники могут, в частности, относиться ко всем или некоторым из следующих:
- механическое прикрепление кристалла к охлаждаемому элементу,
- проводимость энергии, которая должна быть извлечена из охлаждаемого элемента, к кристаллу,
- ограничение тепловых потерь (термозвено должно захватывать минимум антистоксового излучения или передавать минимум этого излучения на охлаждаемый элемент),
- проблема надежности в случае поломки элемента устройства.
Одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы уменьшить все или некоторые из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники.
С этой целью согласно настоящему изобретению устройство охлаждения, которое, кроме того, соответствует его общему определению, данному в приведенной выше преамбуле, по существу характеризуется тем, что термозвено содержит две пластины, имеющие соответствующие первые концы, состоящие в теплообмене с двумя различными поверхностями кристалла, соответственно, при этом две пластины имеют вторые концы, состоящие в теплообмене с охлаждаемым элементом.
Эта конструкция устройства охлаждения, в частности, позволяет лучше механически прикреплять кристалл посредством термозвена. Эта структура звена, выполненная по меньшей мере в двух частях (две пластины), также обеспечивает механическое дублирование функции поддержания и передачи холода, что необходимо для надежности применения в космосе.
При такой архитектуре антистоксовое излучение меньше направляется к охлаждаемому элементу, и площади теплообмена с кристаллом и охлаждаемым элементом могут быть увеличены.
Кроме того, варианты осуществления настоящего изобретения могут содержать один или несколько из следующих отличительных признаков:
- вторые концы двух пластин находятся в теплообмене с двумя разными поверхностями охлаждаемого элемента, соответственно;
- вторые концы двух пластин зажимают между собой охлаждаемый элемент, то есть пластины располагаются по обе стороны от двух противоположных боковых сторон охлаждаемого элемента;
- первые концы двух пластин зажимают между собой кристалл, то есть пластины располагаются по обе стороны от двух противоположных боковых сторон кристалла;
- каждая из пластин имеет J-образную или ломано-линейную форму, то есть каждая пластина проходит в плоскости непрямолинейно, при этом концы пластины, находящиеся в теплообмене с кристаллом и охлаждаемым элементом, соответственно, расположены на двух концах, расположенных по обе стороны от изгиба или угла, соответственно;
- пластины изготовлены из прозрачного материала, такого как стекло или сапфир;
- устройство содержит по меньшей мере два зеркала с высокой отражательной способностью, размещенных вокруг кристалла, чтобы концентрировать свет в кристалле;
- устройство содержит перегородки для поглощения светового излучения, генерируемого кристаллом, причем перегородки расположены вокруг кристалла;
- устройство содержит перегородки для поглощения светового излучения, генерируемого кристаллом, также вокруг граней кристалла, связанных с пластинами;
- охлаждаемый элемент представляет собой хладопровод или фокальную плоскость, предназначенные для переноса фригорий на нагрузку;
- кристалл имеет форму параллелепипеда или любую подходящую форму;
- пластины имеют толщину от 0,1 до 5 мм, и в частности от 0,5 до 5 мм, ширину от 0,1 до 10 мм, и в частности от 1 до 10 мм, длину от 0,1 до 50 мм, и в частности от 2 мм до 40 мм;
- пластины контактируют с кристаллом на площади размером от 1 мм² до 100 мм², и в частности от 1 мм² до 75 мм²;
- пластины контактируют с охлаждаемым элементом на площади размером от 0,1 мм² до 100 мм², и в частности от 1 мм² до 100 мм².
Настоящее изобретение также относится к детектору, содержащему измерительный блок и устройство охлаждения измерительного блока, причем устройство охлаждения соответствует любому из признаков, указанных выше или ниже.
Настоящее изобретение также может относиться к любому альтернативному устройству или способу, содержащему любую комбинацию признаков, указанных выше или ниже.
Другие конкретные признаки и преимущества станут очевидными из прочтения следующего описания, приведенного со ссылкой на фигуры, на которых:
- на фиг. 1 показан схематический и частичный вид сбоку, иллюстрирующий пример конструкции и работы оптического устройства охлаждения;
- на фиг. 2 показан схематический и частичный вид сбоку детали примера конструкции оптического устройства охлаждения в соответствии с настоящим изобретением;
- на фиг. 3 показан схематический и частичный вид спереди детали оптического устройства охлаждения, представленного на фиг. 2;
- на фиг. 4 показан схематический и частичный вид в перспективе одной части другого примера конструкции оптического устройства охлаждения в соответствии с настоящим изобретением, встроенной в датчик с целью его охлаждения;
- на фиг. 5 и 6 показаны схематические и частичные виды в перспективе устройства охлаждения, представленного на фиг. 4, в двух частично разобранных конфигурациях.
Фиг. 1 иллюстрирует конструкцию и принцип работы оптического устройства охлаждения.
Такое устройство 1 охлаждения содержит источник 2 лазерного излучения, выполненный с возможностью испускать излучение в направлении охлаждающего кристалла 3 (см. также фиг. 5). Кристалл 3 помещен между по меньшей мере двумя отражающими зеркалами 7, чтобы концентрировать свет в кристалле 3. Узел (и в частности тип кристалла 3 или эквивалентный) скомпонован для получения охлаждения кристалла 3 с помощью «антистоксового эффекта».
Кристалл 3 помещен в теплообменник (контактный) с элементом 4, 5, предназначенным для охлаждения через термозвено 6.
Как показано на фиг. 2-6, термозвено содержит две пластины 6, имеющие соответствующие первые концы, состоящие в теплообмене (предпочтительно непосредственно контактирующие) с двумя отдельными поверхностями кристалла 3, соответственно, при этом две пластины 6 имеют вторые концы, состоящие в теплообмене (предпочтительно непосредственно контактирующие) с охлаждаемым элементом 4.
Как показано, предпочтительно, чтобы вторые концы двух пластин 6 находились в теплообмене с двумя отдельными поверхностями или боковыми сторонами охлаждаемого элемента 4, соответственно. Например, вторые концы двух пластин 6 зажимают между собой (обхватывают по бокам) охлаждаемый элемент 4, то есть пластины 6 располагаются по обе стороны от двух противоположных боковых сторон охлаждаемого элемента 4 (см. фиг. 2-6).
Таким же образом первые концы двух пластин 6 предпочтительно зажимают между собой кристалл 3, то есть пластины 6 располагаются по обе стороны от двух противоположных боковых сторон кристалла 3.
Каждая из пластин 6 предпочтительно имеет J-образную или ломано-линейную форму, то есть каждая пластина 6 проходит в плоскости непрямолинейно, причем концы пластины 6, состоящие в теплообмене с кристаллом 3 и охлаждаемым элементом 4, соответственно, расположены на двух концах, расположенных по бокам от изгиба или угла, соответственно.
Пластины 6, например, имеют толщину от 0,5 до 5 мм, ширину от 1 до 10 мм и длину от 2 до 40 мм. На каждом конце пластины 6 контактируют с кристаллом 3 и охлаждаемым элементом в области, например, размером от 1 мм² до 75 мм² и от 1 мм² до 100 мм², соответственно.
Таким образом, площади контакта для теплообмена значительно увеличиваются по сравнению с известными решениями без увеличения размеров устройства.
Две пластины 6, например, изготовлены из сапфира или любого другого подходящего прозрачного материала: стекла и т.п. Под прозрачным, в частности, подразумевается: проницаемый при соответствующих длинах волн (например, чтобы пропускать излучение, испускаемое кристаллом, которое обозначается линиями или стрелками на фигурах).
Эта геометрия позволяет ограничить количество антистоксового излучения, испускаемое от кристалла в направлении к охлаждаемому элементу 4.
Кроме того, эта архитектура тонких пластин 6 позволяет легко размещать зеркала 7 и оптические перегородки 8 вокруг кристалла 3. Оптические перегородки 8 (иногда называемые «оптическими экранами») предназначены для изоляции кристалла, и в частности для поглощения излучение вокруг кристалла 3. Эти перегородки 8, в частности, могут быть выполнены из металла, меди, алюминия и т.д.
Как видно на фиг. 3, 4 и 5 в частности, оптические перегородки 8 могут быть размещены на каждой стороне первых концов пластин 6, контактирующих с кристаллом 3. В частности, как показано на фигурах, архитектура термозвена 6 позволяет размещать оптические перегородки 8 полностью вокруг кристалла 3. Таким образом, в случае кристалла 3, имеющего форму параллелепипеда, перегородка 8 может быть расположена напротив шести граней кристалла 3.
Это позволяет оптически изолировать кристалл 3 более полно, чем в предшествующем уровне техники, и в частности под нижней гранью кристалла (т. е. гранью, обращенной к охлаждаемому элементу 4). Это повышает эффективность системы.
Как показано на фиг. 5, лазерный источник 2 может быть сконфигурирован так, чтобы направлять луч через отверстие в перегородке 8.
На фиг. 4-6 показан пример конструкции интегрированного узла, содержащего устройство 1 охлаждения и детектор (в частности, инфракрасный детектор).
Объем части устройства охлаждения может быть уменьшен, например, до кубического объема с длиной стороны менее десяти см.
Что касается существующих решений, кроме уменьшения размера, может быть упрощена детекторная пластина.
В примере на фиг. 4 термозвено сообщается с частью 4, которая может быть фокальной плоскостью, состоящей в теплообмене с компонентом 5 охлаждаемого датчика, такого как оптический датчик космического устройства (спутника и так далее).
Эта структура также обладает более быстрой тепловой реакцией. В частности, представляется возможным достичь времени остывания до целевой температуры (без нагрузки), составляющего приблизительно 10 минут.
Настоящее изобретение также может быть применено к охлаждению на месте микроэлектронных компонентов (например, мощных транзисторов или микросхем) при температурах, близких к окружающей, и к охлаждению кристаллов, используемых в мощных лазерах (непрерывного излучения или импульсных).