センサのオールオプティカル極低温冷却で振動を除去

光検出器のなかには､信号対雑音比（SNR）低減のために､機械的極低温冷却を使用するものがある｡特に､赤外（IR）領域（そのような冷却器は､精密科学でも他に多くの用途がある）で動作するものに使用されており、単に液体窒素を満たしたデュワー（dewar）を使うのとは異なっている｡比較的短い時間で蒸発して極低温冷却するデュワーとは違い､機械的冷却器は長期動作のために光学センサを搭載しているので､例えば衛星で長期の遠隔利用が可能である｡
　しかし､機械的な極低温冷却器には問題がある｡振動が発生するのである｡敏感な光学検出スキームのなかには､振動が重大な障害になるものがある｡（また熱電冷却器（TEC）は､振動を発生しないが､それだけでは､室温から真の極低温までデバイスを冷却できない）。

オールオプティカル冷却の実用化

現在、この問題に対するソリューションは米ロスアラモス国立研究所と米ニューメキシコ大の研究者が開発した｡それはオールオプティカル冷却という珍しい現象に基づいている｡また､それは実用的なフーリエ変換赤外（FTIR）分光計（1）で､水銀･カドミウム･テルル（HgCdTe）IRセンサの冷凍機として機能している｡実験セットアップは､HgCdTeセンサを135Kに冷却して維持している｡
　これまでに開発された最も効率的な光冷却形態は､YLiF4:Yb3+などのイッテルビウムドープフッ化物結晶のレーザ励起に依拠しており､蛍光発光は励起レーザよりも短い波長となる｡結果的に､結晶はエネルギーを失い､それを冷却する｡研究グループリーダー ､マンシュール=シェイク・バハエ氏（Mansoor Sheik-Bahae）と同僚は､この現象を取り上げて実用的な形態にした｡これには､洗練された機械的､熱的設計を利用し､結晶､センサ､コールドフィンガーをマウントし､それらを真空内でアエロゲル（不良熱導体）をマウントに用いて接続した（図１）｡
　｢” 不定の” 荷重を冷却できるキーコンポーネントは､熱リンクの設計と製造であった｡これは､高頻度の熱サイクルに耐えながら､冷却結晶からの>99.9%の蛍光をコールドフィンガーから奪い取る」とバハエ氏は言う｡｢これは、Yb:YLF冷却結晶に溶着された精巧な形状のアンドープYLF結晶によって達成された。他の重要な要素が､レーザ光と冷却結晶との結合強化に関わっていた｡それは､さまざまな熱負荷緩和技術だけでなく､非点収差Herriottセル利用により達成された｣｡
　潜在的用途に関しては､同氏の考えでは､振動やマイクロフォニック・ノイズが有害な役割を果たす､>80Kの温度を必要とする極低温アプリケーションが､この技術から非常に大きな利益を得る｡例えば､焦点面IRセンサや極低温顕微鏡である｡｢さらに具体的に言えば､最も差し迫った有望なアプリケーションは、我々の次世代光冷凍機とNIST（米国標準技術局）のシリコン基準キャビティとの統合に関わる｡シリコン基準キャビティは､レーザを数十mmHz線幅で安定させるために利用される｡このアプリケーションについては特に楽しみにしている｡これによって､多くの高精度計測アプリケーションにとって､並外れたクロックが利用できるようになるからである｡大きなフットプリントや面倒な液体ベースの冷凍機は不要になる｣とバハエ氏は言う｡

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出典元
http://ex-press.jp/wp-content/uploads/2018/11/p10-11_wn_optical_cooling.pdf