首页 > 欧美幼儿视频 >跨越激光冷却的门槛
2018
02-02

跨越激光冷却的门槛


氮化镓已经成为光电子行业中应用最广泛的材料之一,也是硅之后最重要的半导体材料之一。

通过防止化合物晶格中高频声子的破裂,于玉杰和他的同学们希望在氮化镓中实现激光冷却。

GaN的硬度,晶体结构和宽带隙使其成为各种应用的理想选择。这些包括发光二极管(LED),读取蓝光光盘的激光二极管,在高温下工作的晶体管,用于卫星的太阳能电池阵列,生物化学传感器以及由于GaN的相对生物相容性而在人体内的电子植入物。

电气和计算机工程教授于玉杰看到了另一个GaN可能更具革命性的作用。他说,这个化合物可以设计成使通过GaN的光线实际上冷却而不是加热。这种称为激光冷却或激光冷却的现象将消除对用于防止电子设备过热的昂贵的热分散方法的需要。 “电气和电子工程师协会和美国光学学会会员丁先生说:”GaN可以用来制造激光器,光电子和电子器件。 “如果我们也可以使用氮化镓冷却呢?这将是一站式购物。我们可以在激光器,激光冷却装置和电子设备上将所有的部件整体集成在同一块基板上。“

颠倒斯托克斯比率

鼎的团队已经达到了利用被称为”反斯托克斯光致发光(APSL),指的是光子的一小部分或光能单位,其频率在撞击材料后增加。当散射光子的频率低于入射光子的频率时,发生斯托克斯散射。这个现象是乔治·斯托克斯爵士(George Stokes)的名字命名的Ding说,斯托克斯发生率与反斯托克斯散射的比值通常是35:1。科学家们希望将其降低到1:1,此时材料既不会在被光照射时发热也不会被冷却,甚至当材料具有比斯托克斯散射更多的反斯托克斯能量时,材料就会传递能量,通过它的光。

两年前,丁和他的学生,与约翰霍普金斯大学电子和计算机工程教授Jacob B. Khurgin一起,在数值模拟中成功地将氮化锶中斯托克斯与反斯托克斯的比例降低到2:1在实验室实验。这一比例是最有利的。

最近,集团的业绩有所改善,录得比例为1:4。丁先生说:“我们还没有证明冷却。 “这将需要进一步的工作。但是我们已经证明,我们已经超过了激光冷却的门槛。“

声子的冷却潜力

20年前,激光冷却首先在掺有稀土元素的玻璃上得到了证明。 Ding说,这种方法是无效的,因为只有被掺杂材料的相对较小部分有助于冷却。

相比之下,氮化镓的晶体结构使化合物的大部分在冷却中起作用成为可能。最重要的是化合物晶格中GaN分子的声子,或统一频率下的集体振动。 “由于晶格的非线性特性,”丁先生说,“声子以非常高的频率振动可以分解为较低频率的振动。在这个较低的声学振动频率下,声子变成热量。“

为了防止声子振动的破坏,丁的小组将高频振动声子与入射光子结合起来。以这种方式,高频声子振动在分解之前被去除,并且振动而不是产生热量作为高频光子被发射。丁磊说,“氮化镓的优势是所有的集体振动 晶格中的GaN分子使得整个晶格有可能通过促进高频声子的上转换而有助于冷却。

“我们已经学会了如何使用ASPL将低能量的输入光子转换成更高能量的输出光子。要做到这一点,我们通过使用GaN的能态共振增强输出光子的能量来消除声子。因此,我们提高了ASPL。“这是实现激光冷却的最好方法,因为一旦高频声子发生故障并产生热量,这个过程就不可逆。你必须努力去除热量,这是永远不会有效的。“

”我们可以被认为是激光制冷的一个重大突破,因为它表明激光制冷可以用III-V族半导体获得,也就是说,需要冷却的光电器件的材料本身就制成了。“

该项目由Darpa资助。丁的其他合作者包括曾获得博士学位的管孙。来自2013年的Lehigh和陈若琳博士。候选人。 Sun现在为位于加利福尼亚州圣何塞的JDS Uniphase公司工作,该公司设计和制造光通信网络产品。

来源:利哈伊大学