Theoretical and Experimental Studies of Laser Induced Cooling of Solids

La plupart des recherches en technologies de réfrigération se concentrent dans l'amélioration de l'efficacité énergétique des réfrigérateurs et climatiseurs avides d'énergie, tandis qu'une petite fraction de la recherche est dédiée à la miniaturisation et à la flexibilité. La demande accrue pour des outils précis pour des mesures et fabrications générales, ainsi que la production, le traitement et la transmission de données, repoussent les limites de dispositifs électroniques et photoniques. Ces dispositifs nécessitent une gestion thermique qui n'est pas toujours possible d'atteindre avec les méthodes conventionnelles de réfrigération, en raison de la nécessité de miniaturisation, du transport thermique à distance et dans l'espace précis, l'insensibilité aux rayonnements électromagnétiques et des vibrations mécaniques ainsi que des capacités cryogéniques. Une technologie qui pourrait répondre à ces exigences est le refroidissement optique, où la chaleur est convertie en rayonnement optique, à travers un processus optique. Plusieurs segments de l'industrie moderne, ainsi que de la vie quotidienne, sont dépendants de la technologie laser. Cette large dépendance pousse le besoin de plus petits et plus puissants lasers pour les télécommunications, la recherche, les applications militaires, médicales et d'affichage, pour ne citer que quelques-uns. Le premier goulot d'étranglement pour la montée en puissance des lasers est dû à la production de chaleur, et la gestion thermique externe ne résout qu'une partie du problème, puisque les gradients thermiques – qui produisent des effets lenticulaires – sont encore présents. Etant donné que le refroidissement optique peut fournir une gestion thermique in situ, il peut être utilisé pour éliminer ces gradients thermiques nuisibles. Actuellement, le besoin d'efficacité énergétique est le moteur du changement de la technologie d'éclairage vers les diodes électroluminescentes (DELs). Les DELs souffrent cependant de génération de chaleur due à l'extraction limitée de la lumière et des pertes résistives, qui diminuent considérablement la durée de vie de ces émetteurs à semi-conducteurs. Ils ont donc besoin des échangeurs de chaleur relativement grands, qui à leur tour rendent difficile la miniaturisation. Le refroidissement par laser pourrait offrir une solution potentielle pour la gestion de la chaleur dans cette application, ainsi que pour des applications électroniques d'haute vitesse et pour des composants optiques de la prochaine génération d'ordinateurs, dans lequel une gestion de chaleur similaire est également nécessaire.

Abstract

Most research in refrigeration technologies concentrate in improving the energy efficiency of the energy-hungry refrigerators and air-conditioners, while a small fraction of the research is dedicated to the miniaturization and flexibility. Increased demand for precise tools for general measurement and manufacturing, as well as the generation, processing and transmission of data, push the limits of electronic and photonic devices. These devices require thermal management which is not always possible to achieve with conventional refrigeration methods, due to the need for miniaturization, remote or localized thermal transport, insensitivity to electromagnetic radiation and mechanical vibrations and cryogenic capabilities. One technology that could meet these requirements is optical cooling, where heat is carried away through optical radiation, through an optically-driven process. Many segments of modern industry, as well as everyday life, are dependent on lasers. This broad dependence has pushed the need for smaller and more powerful lasers for telecommunications, research, military, energy, medical, and display applications, to cite a few. The first bottleneck for power scaling of lasers is due to heat generation, and external thermal management solves only part of the problem since thermal gradients – which produce lensing effects – are still present. Since optical cooling can provide in-situ thermal management, it can be used to remove these deleterious thermal gradients. Currently, the need for energy efficiency is driving lighting technology towards light-emitting diode (LED) lighting. LEDs however suffer from heat generation due to limited light extraction and resistive losses, which severely decrease the lifetime of these semiconductor emitters. Thus they require relatively large heat exchangers, which in turn make miniaturization challenging. Laser cooling could offer a potential solution for heat management in this application as it could for high speed electronics applications and next-generation-computer optical components, in which similar heat management is also needed. Remote, compact and free-of vibration refrigeration provided by optical cooling can benefit satellites, which have the operation lifetime partially determined by the amount of cryogen they carry to refrigerate their detectors. The same characteristics benefit ultra-stable earth-based detectors, for example laser cavities for gravitational wave detection, in which stability is currently limited by the vibrations of their refrigeration system. All these problems have several different aspects, but one in common is that they cannot be readily solved with standard refrigeration technology, mainly due to the difficulties of remote and spatially-specific efficient transport of thermal energy.