Forskere udvikler den første selvkølende laser fremstillet med en silicafiber

Forskere har arbejdet i årevis, uden held, i jagten på en optisk silicafiber, der ville afkøle sig selv, når den blev ophidset med infrarødt laserlys. En sådan fiber ville gøre det muligt at bruge den mest allestedsnærværende type laserfiber - silica - uden at skulle køle den eksternt og, teoretisk set, producere laserbaserede enheder med exceptionelt rene og stabile frekvenser.

"I stedet for at fjerne varmen fra laseren, der kræver lidt at gøre, du genererer bare ikke varmen i første omgang, " sagde Michel Digonnet, der er forskningsprofessor i anvendt fysik ved School of Humanities and Sciences ved Stanford University.

En selvkølende laser kunne bruges, for eksempel, at skabe avancerede fiberforstærkere - enheder, der forstærker lyssignaler, der rejser gennem dem og er medvirkende til at transportere information kodet på optiske signaler over meget lange afstande. I øjeblikket, denne proces genererer varme, der forringer kvaliteten af ​​lyssignalet; Brug af en selvkølet fiber ville eliminere dette problem.

Men at finde den rigtige silica -sammensætning har vist sig undvigende til det punkt, hvor nogle eksperter mente, at det var meget usandsynligt at nå dette mål, hvis ikke umuligt. De generelt lave forventninger til nogensinde at finde denne fiber havde givet Stanford-studerende Jennifer Knall nok tvivl, at da hun endelig så de første tegn på selvafkøling i sine silicafiberforsøg, hun kørte testene igen. Og igen. Og igen.

"Hemmeligt, Jeg havde næsten opgivet håbet, " sagde Knall, som er kandidatstuderende i elektroteknik. "Men teorien var solid, og vi havde virkelig fantastiske samarbejdspartnere, som var villige til at lytte til os og blive ved med at lave optiske fibre. Så jeg blev ved med at teste."

Den første fiber

Bekræftelsen kom sent om aftenen. Efter et par test med silicafibre, der ikke viste nogen afkøling, når de blev pumpet med laserlys, Knall besluttede at gentage eksperimentet med lys med en lavere energi. Forskellen i energi var meget lille, men det ændrede alt. Da temperaturmålingsgrafen blev indlæst på hendes skærm, der var en dukkert.

"Jeg troede, "Der er ingen vej." Jeg ville ikke gøre mit håb op, fordi det kunne have været misvisende udsving i målingerne fra temperatursensoren, sagde Knall.

Så, hun lavede målingen om. Seks gange mere. Dykket var konsekvent, og Knall blev den første person til at se en optisk silica, der blev koldere, ikke varmere, når ophidset af lys. Hun kontaktede straks deres samarbejdspartnere - Magnus Engholm ved Mid Sweden University, John Ballato ved Clemson University, Martin Bernier og Tommy Boilard ved Université Laval, og Peter Dragic og Nanjie Yu ved University of Illinois Urbana-Champaign - for at annoncere det fremragende resultat af flere års forskningssamarbejde. "Jeg sendte en e-mail ud til alle i alle bogstaver:VI GJORDE DET."

Temperaturen på en selvkølende silica fiberlaser svinger ikke, så frekvensen og kraften af ​​det lys, som de udsender, er mere stabile over tid end lasere med ekstern køling. Dette resulterer i en emission, der er en mere ensartet farve, eller bølgelængde, af lys.

"Pludselig kan denne vidunderlige idé anvendes til det mest almindelige lasermateriale i fiberform, hvilket vi ikke troede var muligt for seks måneder siden, " sagde Digonnet.

Digonnet og Knall var seniorforfatter og hovedforfattere, henholdsvis, af et papir i Optik bogstaver der annoncerede deres gennembrud i februar 2020, fulgt tæt af et andet papir, offentliggjort i juni sidste år i samme tidsskrift, der udforskede måder at forbedre deres eget arbejde og rapportere en ny kølerekord. De har også for nylig integreret silicafiberen i en laserforstærker. I det lange løb, Digonnet og Knall er også nødt til at finde ud af, hvordan laserforstærkeren kan køre mere effektivt, så den kan bruges til storstilet laserprogrammer med stor effekt.

På kort sigt, denne fiber kan vise sig at være ekstremt værdifuld til videnskabelige applikationer med lav effekt, der sigter på at indsamle højpræcisionsmålinger af fysiske parametre såsom acceleration, akustiske bølger eller belastning.

Holder det køligt

For at forstå betydningen af ​​dette gennembrud, man skal forstå nogle simple fakta om lasere. Lasere er specielle for intensiteten og monokromaticiteten af ​​det lys, de producerer. Fiberbaserede lasere er fibre, der omdanner kaotiske, spektralt bredt "pumpe" lys til højrent monokromatisk lys. Men i processen med at producere laserlys, fiberbaserede lasere, ligesom alle lasere, varme op på uønskede måder. Dette problem er i øjeblikket løst ved at tilføje voluminøse, vandbaserede kølesystemer, som har andre skadelige virkninger. En silicafiber, der kan selvafkøle resulterer i et renere laserlys.

Denne form for afkøling opstår, når en sjælden jordart ion tilsat fiberen (såsom ytterbium) absorberer lavenergilys og derefter udsender lys på et lidt højere energiniveau. denne proces, kendt som anti-Stokes fluorescens, fører til en reduktion af fibertemperaturen. Dette er udfordrende i silica, imidlertid, fordi energien fra en exciteret ytterbiumion kan hoppe til en urenhed i fiberen og frigive energi som varme gennem en proces kendt som "koncentrationsslukning". Stadig, Knall og Digonnet vidste det, teoretisk set i hvert fald der bør være en passende fibersammensætning til laserkøling i silica.

"Udfordringen var at finde det materiale, der ville rumme så meget ytterbium som muligt uden at have den bratkølende effekt, " sagde Digonnet. "Når koncentrationen af ​​ytterbium er for lav, kølingen er for lille. Når det er for højt, ionerne mister deres køleeffektivitet. Vi havde brug for at finde en glassammensætning, der skubbede balancen mellem disse to modsatrettede effekter mod en højere koncentration."

Unægteligt nyttig

Siden deres første gennembrud, forskerne har fundet yderligere to silica-fiberkompositioner, der selvkøler, og Knall har brugt den bedst ydende kandidat til at skabe en afkølet fiberforstærker. Hun har været i stand til at forstærke laserlys mere end 40 gange og samtidig opretholde en negativ gennemsnitlig temperaturændring langs fiberens længde. Mens afkølingstestene viste, at laserkøling i silica er mulig, denne fiberforstærker viser, at den også unægtelig er nyttig i praksis.

Lige nu, forskerne udvinder omkring 4 procent af den energi, de sprøjter ind i fibrene. Dette gør det usandsynligt, at fibrene ville blive brugt til højeffektapplikationer uden først at øge denne lave effektivitet, men forskerne ser mange muligheder for ekstremt stabile lasere i applikationer med lavere effekt, såsom ekstrem præcis metrologi, eller videnskaben om målinger.

"Hvor langt vi kan tage denne teknologi vil afhænge af, hvor meget forskere kan presse materialevidenskaben, " sagde Digonnet. "Dette er kun toppen af ​​isbjerget."