Radiative cooling and optical temperature sensing

Kerschbaumer, Nicola (2022): Radiative cooling and optical temperature sensing = Radiatives Abkühlen und optische Temperaturmessungen. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Temperature and light are intrinsically related to each other. Thermal radiation impacts temperature and temperature impacts optical properties of materials. The aim of this work is to use this relationship to radiatively cool down bodies on the one hand and to employ light for a novel temperature sensing method on the other hand. Over the course of the last years, the concept of passive radiative cooling has become a topic of considerable interest for applications in the context of thermal building management and energy saving. In this field, nanophotonic surfaces are engineered to emit thermal radiation in the atmospheric window, while simultaneously reflecting sunlight. The result is a net cooling effect that does not require energy input. This cooling can be further enhanced when considering the possibility to systematically direct thermal radiation, i.e., electromagnetic waves with the aid of optical elements. Prior to this work, the idea to focus thermal radiation for contactless cooling was only scarcely explored. In the first half of this work an elliptical mirror is applied to increase the view factor of radiative heat transfer by a factor of 92. With this approach various samples are cooled down radiatively and spatially structured cooling patterns are generated on their surfaces. First applications exploiting this cooling pathway even include the supercooling of liquids. In the second half of this thesis a novel method for ultra-precise temperature measurements is introduced. In this case temperature is used to manipulate radiation. This concept relies on the temperature-dependence of the refractive index, which in turn influences radiation passing through a medium. To utilize this dependence, an interferometer in a Michelson configuration is built and transparent liquid samples are placed in one of the arms. Twisted light modes containing orbital angular momentum are used, since interfering such beams with opposing helicity yields an interference pattern, which is sensitive to any phase change, i.e., any refractive index change of the observed sample. With this setup refractive index changes on the order of 10-7 can be resolved. Besides the already mentioned temperaturedependence, the refractive index also relies on the concentration of the liquid samples. Both of these parameters are studied independently and the interferometer achieves resolutions in the µK and µM range for temperature and concentration measurements, respectively. Applying this type of twisted light interferometry yields a novel, robust and easily implemented method for in situ temperature and concentration monitoring in liquid samples.

Abstract

Temperatur und Licht sind untrennbar miteinander verbunden. Wärmestrahlung beeinflusst Temperatur und Temperatur beeinflusst optische Eigenschaften von Materialien. Ziel dieser Arbeit ist, diese Wechselbeziehung einerseits zur radiativen Kühlung von Körpern zu verwenden, und andererseits Licht für ein neuartiges Temperaturmessverfahren zu nutzen. In den letzten Jahren hat das Konzept der passiven radiativen Kühlung für Anwendungen auf dem Gebiet der Wärmeregulierung von Gebäuden und der Energieeinsparung immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Auf diesem Gebiet werden nanophotonische Oberflächen entwickelt, um Wärmestrahlung im atmosphärischen Fenster zu emittieren, während gleichzeitig Sonnenlicht reflektiert wird. Das Ergebnis ist ein Netto-Kühleffekt, der keinen Energieaufwand erfordert. Diese Kühlwirkung kann weiter verbessert werden, wenn die Möglichkeit zur systematischen Lenkung von Wärmestrahlung, d.h. von elektromagnetischen Wellen, mithilfe von optischen Elementen in Betracht gezogen wird. Bisher wurde die Idee, Wärmestrahlung zur berührungslosen Kühlung zu fokussieren, noch kaum untersucht. In der ersten Hälfte dieser Arbeit wird durch Anwendung eines elliptischen Spiegels der Sichtfaktor der radiativen Wärmeübertragung um einen Faktor 92 gesteigert. Mit diesem Ansatz werden verschiedene Proben durch Strahlung gekühlt und räumlich strukturierte Kühlungsmuster entstehen auf ihren Oberflächen. Zu den ersten Anwendungen unter Ausnutzung dieses Kühlungsweges zählt auch die Unterkühlung von Flüssigkeiten. In der zweiten Hälfte dieser Dissertation wird ein neuartiges Verfahren zur hochpräzisen Temperaturmessung eingeführt. In diesem Fall wird die Temperatur genutzt, um Strahlung zu beeinflussen. Dieses Konzept beruht auf der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex, was wiederum die ein Medium durchdringende Strahlung beeinflusst. Zur Nutzung dieser Abhängigkeit wird ein Interferometer in einer Michelson-Konfiguration gebaut und transparente Flüssigkeitsproben werden in einem der Arme platziert. Gedrehte Lichtmoden, die einen Bahndrehimpuls enthalten, werden verwendet, da die Interferenz derartiger Strahlen mit entgegengesetzter Helizität ein Interferenzmuster ergibt, das für Phasenveränderung empfindlich ist, d.h. jegliche Veränderung des Brechungsindex der untersuchten Probe. Mit diesem Aufbau werden Änderungen des Brechungsindex mit einer Auflösung in der Größenordnung von 10-7 messbar. Neben der bereits genannten Temperaturabhängigkeit steht der Brechungsindex auch mit der Konzentration der Flüssigkeitsproben in Relation. Diese beiden Parameter werden unabhängig voneinander untersucht und das Interferometer erzielt Auflösungen im µK- und µM-Bereich bei Temperatur- beziehungsweise Konzentrationsmessungen. Die Anwendung dieser Art von Interferometrie mit gedrehtem Licht führt zu einem neuen, stabilen und leicht umzusetzenden Verfahren für die Überwachung von Temperatur und Konzentration in Flüssigkeitsproben in situ.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 18. Oktober 2022
• 1. Bericht­erstatter:in: Feldmann, Jochen