Aktiivne termiline ekstraheerimine ja lähiümbruse soojuskiirguse temperatuuri mõõtmine | teaduslikud aruanded

Aktiivne termiline ekstraheerimine ja lähiümbruse soojuskiirguse temperatuuri mõõtmine | teaduslikud aruanded

Anonim

Õppeained

  • Roheline fotoonika
  • Nanofotoonika ja plasmonika

Abstraktne

Hiljuti pakkusime välja aktiivse termilise ekstraheerimise (ATX) skeemi, mis võimaldab termiliselt asustatud pinnafoonide polaritoonidel pääseda kaugele väljale. Kontseptsioon põhineb fluorestsentsi muundamise protsessil, mis toimub ka tahkete ainete laserjahutamisel (LCS). Siin on esitatud meie skeemi üldistatud analüüs, kasutades LCS-i teoreetilist raamistikku. Näitame, et nii LCS-i kui ka ATX-i saab kirjeldada sama matemaatilise formaalsusega, asendades LCS-is elektronide-footonite sidumisparameetri ATX-s oleva elektron-footoni sidumisparameetriga. Seda raamistikku kasutades võrdleme kahe skeemi jaoks ideaalset efektiivsust ja võimsust ning uurime parasiitide kaotamise mehhanisme. See töö edendab ATX-i kasutamist välivälise soojuskiirguse manipuleerimiseks sellistes rakendustes nagu temperatuuri määramine ja aktiivne radiatiivne jahutus.

Sissejuhatus

Soojusenergia transport elektromagnetilise kiirguse kaudu on põhiprotsess, millel on roll paljudes rakendustes, nagu soojusjuhtimine ruumis 1, 2, radiatiivne jahutus ja küte 3, 4, 5, 6, 7 ning energia muundamine 8 . Eriti huvitav on see, kuidas elektromagnetilist kiirgust saab soojuse transportimiseks kasutada passiivsetes või aktiivsetes skeemides, ja soojuse transpordi piirid nendes skeemides. Näiteks, kuigi kaugele ulatuv soojusvoog ei saa ületada musta keha piiri, on paljud tööd eksperimentaalselt tõestanud, et passiivse lähiümbruse radiatiivne soojusülekanne on parandatud paljude suurusjärkude võrra, võrreldes kaugvälja piirmääraga lähestikku paiknevate objektide korral. kas looduslik 9, 10, 11, 12 või konstrueeritud resonantspinna režiimid 13 . Neid efekte on ära kasutatud intensiivse lähivälja radiatiivse jahutuse jaoks, kuid need on piiratud lähiväljaga 14, 15, 16 . Aktiivskeemides võimaldab tahkete ainete laserjahutamine (LCS) aktiivset jahutamist valgusega, eemaldades termilise energia fononide kujul, millel on ülesmuundatud fluorestsents 17, kuid see on võimalik ainult teatud tahkete ainete korral.

Hiljuti pakkusime teoreetiliselt välja aktiivse termilise ekstraheerimise (ATX) skeemi, mis võimaldab välja lähedal asuvatel elektromagnetilistel pinnalainetel levida kaugele väljale, suurendades sellega tahke aine 18 kiirgavat koguvoolavust. Selle meetodi toimimiseks kasutatakse välivälise soojuskiirguse monokromaatilist olemust, et juhtida üleminekut laservõimenduskeskkonnas, mis koos välise optilise pumpamisega võimaldab eraldada resonantspinna režiimi kaugele väljale.

ATX-il on palju sarnasusi LCS-iga, eriti selle võime põhimõtteliselt jahutada eset ümbritseva keskkonna temperatuuril, kuid see on rakendatav laiema tahke aine hulga jaoks kui LCS.

LCS-i demonstreerisid esimest korda eksperimentaalselt Epstein jt. 19 klaasist ytterbium-legeeritud fluorosirkonaatklaasis ja sellest ajast peale on eksperimentaalselt tõestatud, et see jahutab ka teisi haruldaste muldmetallidega legeeritud klaase 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 ja hiljuti pooljuhtide 38 ja pliiperovskites 39 jahutamiseks. Samal ajal on LCS-i kasutatud temperatuuri mõõtmiseks vahendina kiirgava valguse lainepikkuste jälgimisel, nanoskaalas ja bioloogilistes kudedes temperatuuri mõõtmiseks 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 .

Selles töös rakendame LCS 34, 36 matemaatilist raamistikku, et luua ATX üldistatud mudel. Näitame, et LCS-i ja ATX-i saab kirjeldada sama matemaatilise formaalsusega, asendades LCS-is elektron-foononi sidumisparameetri ATX-s oleva elektron-footoni sidumisparameetriga. Seejärel uurime, kuidas ATX-i saaks kasutada sellistes rakendustes nagu radiatiivne jahutus ja temperatuuri tuvastamine.

See dokument on korraldatud järgmiselt. Esmalt võtame kokku mudeli tuletamise LCS-i jaoks. Seejärel tuletame oma ATX-skeemi jaoks analoogse üldistatud mudeli. Järgnevalt selgitame matemaatilist ekvivalentsust elektronide-footonite sidumismudeli (LCS) ja elektronide-footonite ühendamise mudeli (ATX) vahel, uurime ATX potentsiaali lähivälja ekstraheerimiseks efektiivsuse ja netovõimsuse osas ning arutame, kuidas parasiidid võivad mõjutada ATX. Seejärel kaalume, kuidas ATX-i kasutada kontaktivaba temperatuuri tuvastamiseks. Lõpuks lõpetame tulemuste kokkuvõttega.

Teooria

Üldine teooria kuivainete laserjahutuse kohta

Kahetasandilise mudeli LCS analüüsimiseks on andnud Luo jt. 21 ning Sheik-Bahae ja Epstein arendasid neid edasi LCS 34 üldistatud neljatasandiliseks mudeliks. Mudeleid, mis on võtnud arvesse muid tegureid, nagu ergastatud oleku neeldumine 36 või termodünaamika 48, 49, artiklis ei käsitleta. Selle jaotise eesmärk on tuua lühidalt esile LCS-i mudel ref. 34, et hõlbustada ATX-i järgmises jaotises tuletamist.

LCS-i põhiprintsiip on illustreeritud joonisel 1 (a). Võimenduskeskkond koosneb emitteritest, mis on suletud piiratud temperatuuril põhivõrku. Võre energia selle piiritletud temperatuuri tõttu avaldub võre aatomite foonide või vibratsioonidena. Need vibratsioonid seostuvad emitteritega valentselektronite häiringute kaudu, vahetades energiat emitteritega. Selle interaktsiooni lõpptulemuseks on elektroni ja peremeesorganismi foonidega termiline tasakaal. Kui võimenduskeskkonda sisestatakse juhuslik pump, erutatakse valentselektroni kõrgemale energiatasemele. See võib omakorda neelata fooni ja eraldada seejärel ülespoole muundatud valgust, eraldades seeläbi süsteemist soojusenergia.

Image

a ) Tahke aine laserjahutuse (LCS) kontseptsiooni skeem. Võimenduskeskkond koosneb haruldaste muldmetallide tekitajatest, mis on ümbritsetud põhimaterjaliga piiratud temperatuuril. Välised pumba footonid ergastavad haruldaste muldmetallide kiirgajat ja fooni neeldumisel kannavad energia ülespoole konverteeritud fluorestsentsina. b ) LCS-i neljatasandilise süsteemi energiaskeem. Juhtpumba laseri ergastust energiaga ħω näitab tahke oranž nool. Paksud tumesinised katkendlikud nooled tähistavad spontaanseid emissiooni muutusi kiirusega γr ja õhukesed sinised katkendlikud nooled näitavad mitteradiatiivseid lagunemismäärasid ( γ nr ). ε e , g on elektron-fononi sidumiskiirus koos alaindeksi kollektoriga | 0〉 ja | 1〉 ning »e» ergastatud olekukollektori | 2〉 ja | 3〉 alaindeksiga „g”. c ) aktiivse termilise ekstraheerimise (ATX) kontseptsiooni skeem. Haruldaste muldmetallidega legeeritud võimenduskeskkond asetatakse substraadi lähiväljale. Välised pumba footonid ergastavad haruldaste muldmetallide kiirgajat ja põhjustavad sinise nihkega fluorestsentsi, mis on seotud substraadi lähiümbruse soojuskiirgusega, põhjustades soojusenergia eraldumist. d ) ATX-i neljatasandilise süsteemi energiaskeem. γ e , g on üldine lagunemiskiirus ja W e , g on iga kollektori neeldumis- ja stimuleeritud emissioonikiirus. Alaindeksid e ja g tähistavad samu kollektoreid nagu b ).

Täissuuruses pilt

Joonisel 1 (b) on näidatud joonisel fig 1 (a) toodud neljatasandiline süsteem LCS-i jaoks jahutussüsteemides 34, 36. Maapinna kollektor koosneb kahest tihedalt asetsevast tasemest | 0〉 ja | 1〉, mis on eraldatud energia δE g ja ergastatud kollektor koosneb | 2〉 ja | 3〉 energia eraldumisega δE e . Alaindeks “e” ja “g” tähistavad vastavalt ergastatud või põhiseisundit. Juhtpumba laseri ergastus energiaga ħω on | 1〉 - | 2〉 üleminekuga resonantsil. Spontaansed emissiooni üleminekud on tähistatud kui γr ja samamoodi märgistatakse mitteradiatiivse lagunemise kiirused γ nr . Elektroni-fooni interaktsiooni kiirused on antud ε g ja ε e abil . Eeldame kõigi tasandite ühtsuse degeneratsiooni ja lagunemismäära R = 2 ( γ r + γ nr ). Tiheduspopulatsioonide N 0, N 1, N 2 ja N 3 kiirusvõrrandid on järgmised:

Image
Image
Image
Image

kus σ 12 on | 1〉 - | 2〉 siirde neelduvuse ristlõige, I on langeva laseri intensiivsus, k on Boltzmanni konstant, N t on emitteri kogu tihedus ja T on võre temperatuur. Hinnates püsiva oleku lahendit Eq-dele 1, 2, 3, 4, määratleme netovõimsuse tiheduse neeldumise ja kiirguse sissehingamise vahena

Image

LCS-i mõiste illustreerimiseks oleme joonistes 34, 36 ignoreerinud terminit, mis tähistab pumbalaseri parasiitset neeldumist. Netovõimsustihedust saab seejärel väljendada kui

Image

kus

Image
on ülemineku sisemine kvantefektiivsus ja ħω f tähistab neljatasandilise süsteemi keskmist fluorestsentsi energiat, mis on antud

Image

mille algseisundi resonantsneeldumine α LCS on antud väärtusega

Image

Tuletades Eq. 6, eirame küllastumist nagu viidetes 34, 36.

Jahutuse efektiivsus on määratletud η LCS = - P net , LCS / P abs , LCS koos P abs , LCS = α LCS I ja ekv. 6

Image

Lisaks jahutamisele on LCS-is esinevat üleskonverteeritud fluorestsentsi kasutatud ka temperatuuri mõõtmiseks 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 . Sel juhul on võimenduskeskkond huvipakkuva keskkonnaga termilises tasakaalus. Jällegi võrrandite 1, 2, 3, 4 lahendamisel saame üles muundatud väljundvõimsuse kujul

Image

kus ülakonverteeritud keskmine foto luminestsentsi energia ħω u on nüüd määratletud kui

Image

erinevalt Eq. 7. Temperatuuri mõõtmiseks on emiteeritud fluorestsentsi tundlikkus temperatuuri dP üleskonverteeritud muutuste suhtes , LCS / dT on võtmeparameeter, mitte ekstraheeritud netovõimsus. Ümberarvestatud intensiivsuse suhete võrdlusega arvestamine on tänapäeval laialt levinud meetod 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, kuid lihtsuse huvides keskendume siin üldistatud mudeli absoluutsele ümberarvestatud võimsusele.

Aktiivse termilise ekstraheerimise üldistatud teooria

Joonisel 1 (c) aktiivsel termilisel ekstraheerimisel (ATX) kasutatakse laservõimendusmeediumit, mis sisaldab eraldiseisvate energiaastmetega emittereid, mis asetatakse resonantspinnalainet toetava materjali lähiväljale. Me eeldame, et võimenduskeskkonna ja põhimiku vahel puudub füüsiline kontakt, nii et soojuskiirgus on ainus soojusülekande vorm nende vahel. Sarnaselt LCS-ga vahetavad siin ka emitterid energiat ja on seega soojusliku lähiväljaga kvaas termilises tasakaalus. Välise pumpamise korral võib emitteri neelduv lähiväljaenergia kombineeruda pumbaga, mis suunatakse siniväljas valguses kaugele väljale 18 .

Me modelleerime oma ATX-skeemi emittereid neljatasandilise süsteemina, nagu on näidatud joonisel 1 (d). Väline pumbalaser on häälestatud | 1〉 - | 2〉 üleminekule. Lähisvälja termiline kiirgus juhib üleminekut | 0〉 - | 1〉 ja | 2〉 - | 3〉. Joonise 1 punktis d nimetatud neljast spontaansest emissioonikanalist kaks, nimelt | 3〉 - | 0〉 ja | 2〉 - | 0〉, kiirgavad kaugele välja sinise nihkega footoneid, eraldades soojusenergia väljundväljast. süsteem.

Joonise 1 punktis d esitatud skeemi üldistatud võrrandisüsteemi saab kirjutada järgmiselt:

Image

Image
Image
Image

kus kogused määratletakse samamoodi nagu Eqs 1, 2, 3, 4. Maapinna olekukollektor (| 0〉 ja | 1〉) ja ergastatud olekukollektor (| 2〉 ja | 3〉) ekvivalendites 12, 13, 14, 15 on ühendatud lähiümbruse soojuskiirgusega. Spontaansed emissioonikiirused γ g ja γ e on seotud vastavalt maapinna ja ergastatud olekuga. Iga kollektoriga seotud neeldumine ja stimuleeritud emissioon määratletakse vastavalt W g ja W e . Neeldumine ja stimuleeritud emissioon iga kollektori korral on võrdsed, eeldades, et ühtsuse degeneratsioon: W 01 = W 10 = W g ja W 23 = W 32 = W e .

12, 13, 14, 15 ekvide lahendamine püsiseisundis ja sama võimsuse määratluse kasutamine nagu ekv. 5, saab ATX-st ekstraheeritud netovõimsust väljendada samamoodi nagu ekv. 6

Image
Image

kus α ATX on ATX mudeli põhiseisundi neeldumine. Keskmine fluorestsentsi energia ħω f , ATX ATX jaoks on arvutatud väärtusega

Image

Samuti saab efektiivsust määratleda samamoodi nagu Eq. 9:

Image

keskmise fluorestsentsi energiaga, mis on määratletud ekv. 18 ülal.

Lisaks saame kvantifitseerida ATX-i potentsiaali temperatuuritundlikes rakendustes üles muundatud väljundvõimsuse kaudu, näiteks Eq. 10 LCS-is järgmiselt:

Image

kus vastav üles teisendatud keskmine foto luminestsents ħω u , ATX on

Image

ATX-i võime temperatuuri muutusi tajuda tähistab selle tundlikkust temperatuurimuutuste suhtes dP üleskonverteeritud , ATX / dT, mida käsitletakse järgmistes osades.

ATX ja LCS võrdlus

Kahes eelmises osas loodud üldistatud LCS-süsteemi ja üldistatud ATX-süsteemi teooria abil uurime nüüd kahe skeemi suhet. Intuitiivselt peaks LCS ja ATX vahel olema tihe seos, kuna fluorestsentsi ülesmuundamise protsess kahes skeemis on identne. Peamine erinevus kahe skeemi vahel on ekstraheeritud osakese energia ning elektronide ja emitterite vahelise sideme olemus. LCS-s ekstraheeritakse suhteliselt väikeste energiatega metoonid suurusjärgus meV (~ 10 meV) ja kvasisoojusliku tasakaalu elektron-foonide sidestuskonstandid olekute | 0〉 - | 1〉 vahel oleku olekus ja | 2〉 - | 3 the ergastatud olekus on olulised parameetrid. ATX-is on ekstraheeritud kvaasiosakesed pinnafoonon-polaritonid, mille energia on suurusjärgus sadu meV, ja sidestuskonstandid on footonite emissioonist tulenevad emitterite energiataseme radiatsiooni spontaansed ja stimuleeritud lagunemiskiirused.

Nüüd uurime võrdlust üksikasjalikumalt. Kui jätame tähelepanuta ergastatud olekukollektori ja keskendume ainult joonisel 1 (b) olekukollektorile | 0〉 ja | 1〉, saame LCS-i kahetasemelise juhtumikiiruse võrrandi kirjutada järgmiselt:

Image

Samamoodi, isoleerides joonisel 1 (d) ATX juhtumi korral oleku kollektori, on meil kahetasandiline süsteem | 0〉 ja | 1〉, mis on ühendatud soojuskiirgusega, oleku | 1 rate kiirusevõrrandiga järgmiselt:

Image

Uurides ekvivalente 22 ja 23, leiame, et neid saab muuta identseteks järgmiste asendustega:

Image
Image

Seetõttu võtab elektronide-foonide sidumise kiirus ε g LCS-is spontaansete ja stimuleeritud kiiruste γ g ja W g rolli elektron-footoni sidumisel termilise kiirgusega ATX-is.

Uurides ekvivalente 24 ja 25, saame seostada spontaanseid ja stimuleeritud kiirusi γg ja Wg, kasutades Boltzmanni tegurit järgmiselt:

Image

Teisest küljest, kui eeldada, et ATX-i puhul on põhiseisund soojuskiirgusega kvaasis termilises tasakaalus, siis

Image

saame ka Eq. 26 alates Eq asendamisest. 27 sisse Eq. 23. Seega on kvaasis termiline tasakaal automaatselt tagatud matemaatilises ekvivalentsis ekvivalentides 24 ja 25. Samuti võrdub ekvivalent. 26 on identne klassikalise tulemusega kahetasandilise süsteemi korral, mis interakteerub termilise kiirgusega 50 . Einsteini töös 50 kaaluti ainult Plancki seaduses kirjeldatud soojuskiirguse kaugeväljavormi, kuid formulatsioon sõltub ainult olekute footontihedusest ja on seega rakendatav ka lähiväljas. Siin ATX-is eeldatakse substraadi soojuskiirguse ja võimenduskeskkonna emitterite vahel radiatiivset termilist tasakaalu.

Ehkki LCS-i ja ATX-i vahel on palju sarnasusi, on siiski üks oluline erinevus. LCS-is on ekstraheeritud termonfoonide asjakohane temperatuur võimenduskeskkonna enda temperatuur. ATX-is on asjakohane temperatuur substraadist eralduva soojuskiirguse temperatuur, mis võib olla väga erinev võimenduskeskkonna temperatuurist, kui näiteks söödet hoitakse antud temperatuuril eraldi termilise reservuaari abil. Sellel temperatuuride erinevusel võib olla oluline mõju, eriti mittekiirguse tekkeprotsesside tugevusele, mis sõltub võimenduskeskkonna temperatuurist ja mida käsitletakse parasiitide kadude hilisemas osas.

Tulemused

Ideaalne efektiivsus ja ekstraheeritud jõud

Võrdleme nüüd ideaalset efektiivsust ja netotõmbevõimet, mis on saavutatav LCS-i ja ATX-iga, kasutades eelmises osas tuletatud matemaatilist formalismi, jätmata arvesse parasiitide protsesse. Neid protsesse uuritakse järgmises osas. Selle võrdluse teostamiseks peame valima võimelise kandja realistlikud parameetrid nii LCS-i kui ka ATX-i jaoks. Kuna LCS-i ja ATX-i jaoks on võimenduskandja nõuded märkimisväärsed, ei ole võimalik LCS-i ja ATX-i otseselt võrrelda sama võimenduskandjaga. Näiteks LCS-i võimenduskandja hostmaterjal ei pea olema keskmises infrapunas (MIR) läbipaistev, ATX-i lainepikkuste vahemikus. See läbipaistvus tagab, et lähiümbruse soojuskiirgus saab vahetult suhelda emitteritega, mitte absorbeerida põhimaterjalist.

Esiteks hindame maa ja ergastatud oleku kollektorite energiat δE g ja δE e eeldades, et need on ligikaudu võrdsed. LCS-i puhul on haruldaste muldmetallide, näiteks legeeritud fluorosirkonaatklaasi (ZBLAN: Yb 3+ ) tüüpiline fonoonienergia umbes mõni protsent pumba footoni energiast 19 . Siin eeldame LCS-i tüüpilist väärtust δE g ≈ EE ~ 0, 01 ħω .

ATX puhul on tüüpiline termilise footoni energia kõrgem kui footoni energia ja ideaaljuhul on selle väärtus lähedane energiaga, mis vastab musta keha spektri 18 tipule, et maksimeerida selle lähivälja energiatihedust. Kui arvestame substraadi temperatuuri 300 K ja valime siirdetega haruldaste muldmetallide kiirgaja, mis vastab musta keha spektri tippudele umbes 10 μm , siis vastab kollektori energia eraldumine δE g ≈ δE e ≈ 0, 1 ħω eeldusel, et a pumba lainepikkus 1 μm . Seega täheldame, et ATX-i energiavahed on vähemalt paar korda suuremad kui LCS-is esinevad energiavahed, kuna pinnafoonide polaritoonide energiad on fonoonidega võrreldes suuremad.

LCS ja ATX lagunemiskiiruse hindamiseks peame uurima iga sidumismehhanismi. Olles tuvastanud LCS ja ATX matemaatilise samaväärsuse, Eq. Joonis 7 nõuab meil ainult spontaanse lagunemiskiiruse R ja sumbumiskiiruse ε väärtuste hindamist kollektori sisese välise sidumise korral (eeldusel, et ε g = ε e = ε ). LCS-i jaoks tagab selle sidestamise elektron-fonoonide interaktsioon. Siin järgib ε energia tühimiku seadust 51, mis on antud

Image

kus a ja b on konstandid ja ħω max on peremeesmaterjali maksimaalne foonienergia . Tüüpilised a ja b väärtused on suurusjärgus 52, 53 3, 5 ja 10 12, ω max ≈ ω / 10 ja δE ≈ 0, 01 ħω . Neid parameetreid kasutades hindame elektron-foononi sidendiks ε ∼ 10 11, mis jääb teadaolevate põhimaterjalide 52 väärtuste vahemikku. Arvestades, et tüüpiline γr on suurusjärgus 53 100 s −1 ja eeldades kvantühisuse tõhusust, on üldine lagunemiskiirus R = 2 γ r = 200 s −1, mis on palju väiksem kui ε . Seega on keskmine fluorestsentsi efektiivsus ekv. 7 saab ligikaudseks järgmiselt:

Image

ATX puhul on sidumiskiirus ε igas kollektoris spontaansete ja stimuleeritud kiiruste ( γ ja W ) summa vastavalt ekv. 24. Nagu ref. 18, eeldame, et põhimiku pinnaresonants joonisel Fig 1 (c) vastab iga kollektori energia eraldumisele δE g ≈ δE e . Selle tulemusel suurenevad lähiväljas olekute tihenenud tihedus nii γ kui ka W suurusjärgu 18 võrra . Kasutades Eq. Joonisel 24, on meie skeemi igas kollektoris olev ühendus ε suurusjärk suurem, võrreldes üldise lagunemiskiirusega R, kui taas eeldada, et R on umbes 200 s −1 . Seega saame keskmise fluorestsentsi sageduse määratleda samamoodi, nagu tehti LCS-i jaoks ekv. 29 as:

Image

ja samamoodi väljendada neto ekstraheeritud netovõimsust, mis on normaliseeritud langeva neelduva võimsuse suhtes kui

Image

eeldades kvanttõhusust η q = 1.

Joonis 2 (a) näitab ideaalse efektiivsuse võrdlust ilma parasiitideta, võrreldes ATX ja LCS temperatuuri, kasutades Eq. 30 pumba energiaga ħω = 1, 24 eV mõlema skeemi korral. ATX üldine suurem ideaalne efektiivsus tuleneb ekstraheeritud fonoonpolaritoni suuremast energiast võrreldes tüüpiliste fononitega. Suure temperatuuri piirides kipub ideaalse efektiivsuse väärtus nii LCS kui ka ATX korral olema ekvivalendi kohaselt δE / ( ħω ). 30, mis on 10% ATX ja 1% LCS, nagu näidatud joonisel fig 2 (a). Madalate temperatuuride piirides kipub ideaalne efektiivsus väärtuseni δE / (2 ħω ) vastavalt ekv. 30. Seda piirmäära peetakse kinni ka nagu näidatud joonisel 2 (a), mis on 5% ATX ja 0, 5% LCS.

Image

a ) Ideaalne efektiivsus temperatuuri suhtes LCS (katkendjoon) ja ATX (tahke joon) suhtes Eq. 30. b ) LCS (kriipsjoon) ja ATX (püsiliin) normaliseeritud ekstraheeritud ideaalne netovõimsus keskmise temperatuuri suhtes ekvivalentsi absoluutväärtusest. 31. ATX-l on suurem ideaalne efektiivsus kui LCS-l, kuid LCS edestab madalamatel temperatuuridel eraldatud võimsuse korral ATX-i.

Täissuuruses pilt

Ideaalse kasuliku võimsuse võrdlemiseks kasutame normaliseeritud võimsuse vormi juhusliku neeldunud pumba võimsuse suhtes, nagu on määratletud ekv. 31 ja joonestage ekstraheeritud ideaalne kasulik võimsus P net / ( Iσ 12 N t ) | nagu näidatud joonisel 2 (b). Joonisel 2 (b) on näidatud, et kõrgematel temperatuuridel on meie ATX-skeemi abil rohkem energiat, võrreldes LCS-skeemiga. Madalamatel temperatuuridel võtab LCS aga rohkem energiat kui ATX. Neid tulemusi on oodata alates sellest ajast

Image
kollektori ergastatud olek depoositakse vastavalt viitele. 34 ja jaotises “Üldine teooria tahke aine laserjahutuse kohta”. Suurem energiavahe δE ATX-is tähendab, et see depopulatsioon toimub kõrgematel temperatuuridel, võrreldes LCS-i vastava depopulatsioonitemperatuuriga.

Parasiitsed kaotused

Siiani oleme unarusse jätnud sellised ideaalid nagu parasiitide pumba imendumine ja mitteühtsuse kvanttõhusus. Tegelikkuses halvendab see protsess jahutus- ja temperatuuriandurite jaoks nii LCS 34 kui ka ATX jõudlust. Nüüd uurime neid mõjusid.

LCS-i peamised parasiidikaod on parasiitide pumba neeldumine ja üleskonverteeritud footonite mitteradiatiivne rekombinatsioon (mis väljendub kvantitatiivsuse mitteühisuses) ja mõlemad protsessid toimuvad ka ATX-is. Esmalt kaalume pumba parasiitset imendumist. Siin valitakse pumba lainepikkuseks 1 μm (1, 24 eV) ja enamik põhimaterjale nagu ZBLAN või YLF 34 on sellel lainepikkusel LCS-is läbipaistvad. ATX-i puhul piirab põhimaterjalide läbipaistvus kuni MIR-i nõudeid vastuvõtjamaterjalid selliste materjalide suhtes, mis on 100% läbipaistvad 1 μm juures , näiteks kaltsiumfluoriid. ATX-is on aga võimalus ka substraadi poolt imendumiseks pumba imendumisel lihtsas geomeetrias, nagu joonisel fig 1 (c). Pumba imendumise üksikasjad sõltuvad suuresti materjali omadustest ja süsteemi disainist. Siiski on selge, et ATX-i kasutavate jahutusrakenduste jaoks on vaja õhukesi substraate, mis ei ima valgust pumba jaoks kasutatava nähtava või lähi-infrapuna lainepikkuse korral.

Järgnevalt kaalume üleskonverteeritud footonite mitteradiatiivset rekombinatsiooni. Neid mittekiirgavaid kanaleid tähistab kõigi üleminekute korral joonisel 1 (b, d) γ nr ja need on põhjustatud mitme fooni lagunemisprotsessidest, mida juhib võrrand. 28. Ümberpööratud footonid vajavad vähemalt 97% sisemist kvantefektiivsust (eeldades ühtsuse neeldumise efektiivsust ja fluorestsentsi põgenemise tõhusust), et LCS 34-s toimuks igasugune jahutamine. Seega on LCS-i põhimaterjalidel sageli madal maksimaalne foonienergia, et vähendada mitme fooni protsesside tõenäosust 53 . ATX-is on fluorestsentsi keskmine energia suurem kui LCS-is suurema energiavahe δE tõttu , mis peaks tingima parasiitide mitme fooni lagunemisprotsesside vähenemise.

Kuid ATX optimaalseks toimimiseks vajalik kõrgendatud temperatuur võib põhjustada mitteradiatiivse rekombinatsiooni dramaatilist suurenemist. Seda väljakutset saab vältida teadvustades, et põhikeskkonna temperatuur ei pea olema võrdne substraadi eralduva soojuskiirguse temperatuuriga. ATX-is määrab substraat termilise footoni populatsiooni, erinevalt LCS-ist, kus foonipopulatsiooni määrava võimenduskeskkonna põhimaterjali füüsikaline temperatuur. Seega ATX-i puhul on ainult võimenduskeskkonna emitterid substraadiga radiaalses tasakaalus. Seega saab ATX-i põhimaterjali kokkupuutel termilise reservuaariga hoida madalamal temperatuuril kui substraadil. Selle tulemusel võib hoolimata substraadi kõrgendatud temperatuurist mitteradiatiivne rekombinatsioon olla oodatust oluliselt väiksem. Võimenduskeskkonna temperatuur mõjutab peamiselt ATX-i tööd, määrates mitteradiatiivsete lagunemisprotsesside kiiruse, mis omakorda mõjutab efektiivsust ja ekstraheeritud võimsust.

Üldiselt peaksid parasiitkaod mõjutama LCS-i ja ATX-i sarnasel määral ning on võimalik, et ATX-i abil on võimalik saavutada radiatiivne jahutus. Sellegipoolest mängib spetsialiseeritud eksperimentaalne kujundamine võtmerolli LCS jahutamisel 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, ATX abil jahutamise saavutamiseks on vaja 37, 38, 39 ja sarnast hoolikat disaini.

Arutelu

Kui matemaatiline formaalsus on paigas ja parasiitprotsesse silmas pidades, uurime nüüd ATX-i rakendusi temperatuuri tuvastamiseks. Peamised kogused on detektorini jõudv üleskonverteeritud võimsus ja üleskonverteeritud võimsuse tundlikkus temperatuurimuutustele. Kasutades samu eeldusi jaotises „Ideaalne efektiivsus ja ekstraheeritud võimsus“, lihtsustame ekv 10 ja 20, et saada neeldunud sisendvõimsusele normaliseeritud ümberarvestatud võimsus

Image

Ümber konverteeritud võimsuse tundlikkus temperatuurimuutustele, mis on määratletud kui dP üleskonverteeritud / dT, on siis

Image

Joonisel 3 (a) on näidatud normaliseeritud üleskonverteeritud võimsuse ja kiirgustemperatuuri võrdlus ATX-i ja LCS-i vahel, kasutades ekvivalenti. 32 pumba energiaga ħω = 1, 24 eV mõlema skeemi korral. LCS-i suurem väljundvõimsus on tingitud kollektori väiksemast energiast, mis võimaldab ergastatud oleku suuremat soojuspopulatsiooni. Joonisel 3 (b) on LCS tundlikkus madalam kui ATX kõrgematel temperatuuridel, kuigi see on palju suurem kui 500 K.

Image

( a ) LCS (kriipsjoon) ja ATX (püsiliin) normaliseeritud üleskonverteeritud võimsus sõltuvalt temperatuurist ekv. 32. ( b ) Ümber konverteeritud fluorestsentsi tundlikkus LCS (kriipsjoon) ja ATX (püsiv joon) mõõtetemperatuuri suhtes ekvivalentsi absoluutväärtusest. 33. ATX on kõrgema tundlikkuse korral kõrgem tundlikkus kui LCS, kuid LCS edestab eraldatud võimsuse ATX vaadeldud temperatuurivahemikus.

Täissuuruses pilt

Ülaltoodud parasiitide kadude osas käsitletud tegurid kehtivad temperatuuri tuvastamisel samal viisil, kus mitteideaalid võivad põhjustada üleskonverteeritud signaali vähenemist. Võimenduskeskkonna temperatuuri hoidmine konstantsena eraldi termilise reservuaariga on seega kasulik, et vähendada kaotusi kõrgemal temperatuuril. Üldiselt näitab siinne võrdlus, et LCS on parem temperatuuri mõõtmiseks temperatuuril, mida loetakse

Image
. Kui kontakt fluorestsentskeskkonna ja proovi vahel on vastuvõetav, on LCS-põhise temperatuuri mõõtmise eelised hea ruumilise eraldusvõime suhtes kohaliku temperatuuriga ja mugav optiline tuvastamine nähtavas infrapunakiirguse lainepikkuse vahemikus 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 .

Teisest küljest võimaldab ATX temperatuuri mõõtmist, proovides substraadi lähi- või kaugemaakiirgust ilma füüsilist kontakti nõudmata. Selline kontaktivaba temperatuuri tundmine on oluline mitmesuguste rakenduste jaoks, alates meditsiinilisest kuni tööstussektorini. Praegu kasutatavates tehnikates kasutatakse sageli pooljuhtpõhiseid infrapuna-footondetektorid või bolomeetripõhised detektorid 54, 55 . Erinevate pooljuhtmaterjalide piiratud avastamisulatus ja bolomeetrite aeglane reageerimine piiravad nende meetodite kasutamist 54, 55 . Temperatuuri tuvastamine ATX-i abil võimaldab kiirete ja laialdaselt kättesaadavate üleskonverteeritud fluorestsentsi tuvastamiseks kasutada nähtavaid peaaegu infrapunakiirega fotodetektorit. Seega võib ATX võimaldada temperatuuri mõõtmist suure ruumilise täpsusega, kui seda kombineerida olemasolevate lähivälja skaneerimise tehnikatega 56, 57, teisendades soojuskiirguse tuvastuseks lähedase infrapuna või nähtava lainepikkusega, ilma et oleks vaja prooviga füüsilist kontakti.

Kokkuvõte

Kokkuvõtlikult kirjeldab see töö ATX üldist teooriat ning näitab matemaatilist ekvivalentsi LCS ja ATX vahel. Selle samaväärsusega võrdleme LCS-i ideaalset efektiivsust ja ülesmuundatud võimsust ATX-iga. Leiame, et ATX on potentsiaalselt kasulik kõrgematel temperatuuridel, mille energiavahe δE ~ kb T. Siin esitatud ATX-i üldistatud mudel edendab seega aktiivsete protsesside mõistmist ja rakendamist, et manipuleerida lähiümbruse soojuskiirgusega soojusjuhtimiseks.

Kommentaarid

Kommentaari esitamisega nõustute järgima meie tingimusi ja kogukonna juhiseid. Kui leiate midagi kuritahtlikku või mis ei vasta meie tingimustele või juhistele, märkige see sobimatuks.