Forskere bruger nano-partikler til at øge strømmen, forbedre øjens sikkerhed for fiberlasere

Forskere ved U.S.Naval Research Laboratory har udtænkt en ny proces til brug af nanopartikler til at bygge kraftige lasere, der er mere effektive og sikrere for dine øjne.

De gør det med det, der kaldes "sjælden-jord-ion-dopet fiber." Kort sagt, det er laserlys, der pumper en silicafiber, der er infunderet med sjældne jordioner af holmium. Ifølge Jas S. Sanghera, der leder filialen for optiske materialer og enheder, de har opnået en 85 procent effektivitet med deres nye proces.

"Doping betyder bare, at vi putter sjældne jordioner i fiberens kerne, det er her al handlingen sker, "Forklarede Sanghera." Sådan har vi produceret denne verdensrekordeffektivitet, og det er, hvad vi har brug for til en høj energi, øjen-sikrere laser. "

Ifølge Colin Baker, forskningskemiker med filialen optiske materialer og enheder, laseprocessen er afhængig af en pumpekilde - oftest en anden laser - som ophidser de sjældne jordioner, som derefter udsender fotoner for at producere et lys af høj kvalitet til lasning ved den ønskede bølgelængde.

"Men denne proces har en straf, "Sagde Baker." Det er aldrig 100 procent effektivt. Det du putter i er pumpenergi, ikke lyset af høj kvalitet ved den bølgelængde, du ønsker. Det, der kommer ud, er en meget højere lyskvalitet ved den specifikke bølgelængde, du ønsker, men den resterende energi, der ikke omdannes til laserlys, er spildt og omdannet til varme. "

Det tab af energi, Baker sagde, i sidste ende begrænser effektskalering og laserlysets kvalitet, hvilket gør effektiviteten særlig vigtig.

Ved hjælp af et nano-partikel 'dopant, 'de er i stand til at opnå 85 procent effektivitet med en laser, der fungerer ved en bølgelængde på 2 mikron, som betragtes som en "øjesikker" bølgelængde, frem for den traditionelle 1 mikron. Selvfølgelig, Baker påpegede, ingen laser kan siges at være sikker, når det kommer til det menneskelige øje.

Faren opstår som følge af potentialet for spredt lys til at blive reflekteret i øjet under en lasers operation. Spredt lys fra stien til en 100 kilowatt laser, der arbejder ved 1 mikron, kan forårsage betydelig skade på nethinden, fører til blindhed. Med en øjesikker laser, opereret ved bølgelængder ud over 1,4 mikron, imidlertid, faren fra spredt lys reduceres betydeligt.

Ifølge Baker, nano-partikel doping løser også flere andre problemer, såsom at den beskytter de sjældne jordioner mod silica. Ved 2 mikron, silica's glasagtige struktur kan reducere lysudbyttet fra de sjældne jordioner. Nanopartikeldopingen adskiller også de sjældne jordioner fra hinanden, hvilket er nyttigt, da pakning dem tæt sammen også kan reducere lysudbyttet.

Traditionelle lasere, der fungerer ved 1 mikron, ved hjælp af et ytterbiumdopant, er ikke nær så påvirket af disse faktorer, Sagde Baker.

"Løsningen var en meget smart kemi, der opløste holmium i et nanopulver af lutetia eller lanthanoxid eller lanthanfluorid for at skabe et passende krystalmiljø [til sjældne jordioner], "Sanghera sagde." Brug af spandkemi til at syntetisere dette nano-pulver var nøglen til at holde omkostningerne nede. "

Partiklerne i nanopartikelpulveret, som Sangheras team oprindeligt havde syntetiseret til et tidligere projekt, er typisk mindre end 20 nanometer, hvilket er 5, 000 gange mindre end et menneskehår.

"Derudover vi var nødt til med succes at kunne dosere disse nano-pulvere i silicafibrene i mængder, der ville være egnede til at opnå lasning, " han tilføjede.

På filialen optiske materialer og enheder, Sangheras team af forskere arbejder med et rum i størrelse, glasbearbejdende drejebænk, hvor det glas, der til sidst bliver til fiberen, renses med fluorgasser, støbt med en blæserbrænder og infunderet med nano-partikelblandingen-hvad forskerne kalder en "nanopartikelopslæmning". Resultatet er en sjælden-jord-ion-dopet, glasstang med en tomme diameter, eller "optisk præform".

Næste dør, forskere bruger et fibertræksystem - et tårn så massivt, at det fylder to store rum og højden på to etager i bygningen - til at blødgøre præformen med en ovn og forlænge den, i en proces, der ligner at trække taffy, ind i en optisk fiber omtrent lige så tynd som et menneskehår, som derefter spoler på en nærliggende stor spindel.

Sangheras team har allerede indsendt en patentansøgning til processen. Blandt de potentielle applikationer, de forestiller sig for den nye specialfiberlaser, er kraftfulde lasere og forstærkere til forsvar, telekommunikation og endda svejsning og laserskæring.

"Fra et grundlæggende perspektiv, hele processen er kommercielt levedygtig, "Sanghera sagde." Det er en billig proces at fremstille pulveret og indarbejde det i fiberen. Processen ligner meget på fremstilling af telefiber. "