低温光学能够降低红外光学系统自身热噪声, 有效提高探测灵敏度。支撑结构是实现光学系统在低温下正常工作的关键部件。设计的透射式低温光学系统工作温度为150 K, 采用脉冲管制冷机这种新型机械式低温制冷机做冷源。因制冷机冷指直径较小, 直接冷却光学透镜会在透镜内部产生较大温差, 影响成像质量, 为此设计了一种新型支撑结构, 一方面设计了新型的轴向支撑和径向支撑用来减少透镜在低温下的形变, 另一方面建立了透镜与脉冲管制冷机之间的传热模型, 来指导支撑结构热设计, 减小透镜内部温差。最后, 对透镜支撑的低温性能进行了测试, 实验结果表明, 经过3 h, 透镜温度由300 K降至150 K, 支撑结构很好地保护了透镜并且在降温过程中透镜内部温差小于1 K。当温度从300 K降低到150 K时, 光学表面的最大变形小于1 λ(1 λ= 632.8 nm)。支撑结构从机械和热学性能上满足了低温光学系统的需要,为机械式制冷机冷却光学系统的光机结构设计提供了一种新选择。

建立了阻抗匹配模型, 同时从冷指及压缩机两方面对制冷机性能进行优化.基于热声理论, 构建了30 K温区脉管冷指的一维DeltaEC理论模型, 优化了惯性管型单级脉管制冷机冷指和压缩机耦合的工作参数.从机理上分析了回热器填料、双段惯性管长度及气库体积对冷指声学阻抗及压缩机声功转化效率的耦合关系.搭建实验测试平台, 测试结果表明此单级脉管制冷机可以获得24.24 K的最低温度, 输入功227 W时可以在30 K获得1 W冷量, 可较好的满足空间红外探测器应用.

由于能够减小系统自身的热噪声和提高系统信噪比, 低温光学是实现高灵敏度红外探测的必要手段。提出了一种将脉冲管制冷机用作冷源的透射式低温光学系统。这种新型低温光学系统可用于体积和重量受限而又需要进行高灵敏度红外探测的场合。从光学设计、光机结构设计和内部热噪声分析等方面说明了透射式低温光学系统的设计过程。搭建了用于对脉冲管制冷机冷却光学系统的可行性进行验证的试验系统, 并从系统内部热噪声的角度对低温光学的有效性进行了验证。实验结果表明, 经过3 h, 透镜温度由300 K降至设计温度150 K, 继续降温则可达到最低温度105 K。测试过程中, 透镜保持完好, 验证了将脉冲管制冷机用作冷源的可行性。用黑体和320×256元碲镉汞探测器对光学系统自身的热噪声进行了测试。结果表明, 当光学系统的温度从300 K降至215 K时, 其自身热辐射减少了75%。这与理论分析结果一致, 验证了低温光学降噪的有效性。

由于脉冲管制冷机冷端没有运动部件, 具有可靠性高、寿命长、振动小等优点, 非常适合应用于空间领域。本文介绍了一款微型脉冲管制冷机的基本结构、数值模拟和实验性能, 其线性压缩机采用动磁式结构, 板弹簧支撑和间隙密封技术, 膨胀机的蓄冷器和脉冲管为同轴型布置, 这种结构使冷头与器件之间的耦合非常方便。使用 SAGE软件对脉冲管制冷机的调相机构进行数值模拟, 并对模拟结果进行实验验证。

研究了一种低温条件下（120 K以下）运行的光纤耦合激光二极管（LD）端面抽运的Tm:YAG激光器。LD中心波长为785 nm（15 ℃），光纤芯径为400 μm，数值孔径为0.22。Tm:YAG晶体尺寸3 mm×3 mm×8 mm，Tm3+掺杂原子数分数为3%。采用一种新型小型脉冲管制冷机制冷，具有冷端无振动、结构简单、寿命长的优点。将制冷机冷头与包裹晶体的紫铜热沉连接以冷却晶体，并置于真空环境中，防止结霜现象的发生。通过控制晶体温度，得到了激光器在80～290 K温区内，阈值功率和输出功率随工作温度的变化关系。在晶体温度为80 K，抽运功率为9 W时，得到功率为3.78 W的2.013 μm连续激光输出，光光效率为42%，斜率效率为44.9%。

在小型脉冲管制冷机(工作温度约60 K)上搭建了高温超导约瑟夫森结太赫兹谐波混频系统，并采取了一系列措施增强结与太赫兹波的耦合。所采取的措施主要有：研究不同基片对结的影响并最终选择MgO做为双晶结基片，设计平面周期对数天线，同时使用一个超半球硅透镜和两个离轴抛物面反射镜组成准光学系统。最终成功在小型脉冲管制冷机中获得结对623 GHz太赫兹波的响应，并且成功进行24次谐波混频实验。