[发明专利]用于物体的光学冷却的设备

说明书

用于物体表面的光学反斯托克斯冷却的双层或多层设备或装置。该设备包括：至少一个底层，其配置成在吸收电磁辐射时以反斯托克斯荧光响应；以及至少一个顶层，其铺设在底层上并配置成过滤电磁辐射并将电磁辐射的选定光谱带传输到底层。主动冷却不依赖于辐射的相干性质，这使得能够使用非相干太阳辐射作为主动冷却输入能源。本发明的冷却技术适用于小规模和大规模，并且实际上适用于具有可以施加或铺设层状物质的表面的任何物体，例如屋顶、壁、汽车、船舶、帐篷、衣服等。

技术领域

本发明涉及使用反斯托克斯荧光的冷却。更具体地，本发明涉及使用非相干非单色电磁/太阳辐射和反斯托克斯荧光的吸收的冷却技术。

背景技术

固体的激光冷却是这样一种现象，其中与辐射的相互作用导致固体材料中的有效冷却。这个想法早在1929年由Pringsheim提出。直到1995年，Epstein等人才实现了固体的激光冷却，他们设法将固体冷却0.3K(Epstein 1995)，也称为固体的光学制冷。这是一个快速发展的领域，其中技术发展现状是将固体冷却至低至100K的低温(Melgaard 2016)。在物质的固相中，物质的大量热能包含在晶格的振动模式中。因此，颗粒的振动运动减少将导致材料的冷却。类似于光的量子，振动运动的量子通常被称为声子。对激光冷却很重要的两个主要相互作用是：斯托克斯荧光/散射，这是一种光与物质相互作用的过程，其中光子被吸收并以较低的能量释放，该过程有时也是发光下转换。损失的能量在固体内转化为热能。当然，这导致相互作用材料的加热；反斯托克斯荧光/散射，其与斯托克斯荧光相反(也称为发光上转换)。在这个过程中，光与物质相互作用，使每个光子散射时所具有的能量比它开始时的能量更多。能量由材料中的声子提供，导致平衡后材料冷却。固体中激光冷却的物理原理旨在实现最大的反斯托克斯散射和最小的斯托克斯散射。由于散射的类型高度取决于光的波长，因此发射具有窄波长范围的光的激光已经在传统上用于这样的研究。使用反斯托克斯荧光的激光冷却已经研究并确立了一段时间。这种冷却是由于电磁辐射(光子)的发射而实现的，其平均能量高于经吸收的辐射的平均能量。有效地，热量被转换成从材料发出的光。

具有比经吸收辐射更高能量的辐射发射可以用具有基态和激发能级之间的能带隙的半导体和两个激发能级之间的能级分裂来建模，其中带隙比激发能级之间的能隙大一个数量级。两个激发能级之间的热平衡导致较高激发能级的群体(population)。假设在较高激发能级中没有激发电子的非辐射衰变，则发生光子发射所具有的频率比经吸收的光子的频率更高(更短的波长)，导致净冷却。