science >> Wetenschap >  >> Fysica

Onderzoekers gebruiken nanodeeltjes om het vermogen te vergroten, de oogveiligheid van fiberlasers verbeteren

Colin Bakker, US Naval Research Laboratory, een staaf van silicaglas vasthoudt (optische voorvorm) die in een optische vezel zal worden getrokken die geschikt is voor de productie van een oogveiligere laser bij het Amerikaanse NRL, DC op 26 maart, 2019. Krediet:Amerikaanse marine/Jonathan Steffen

Wetenschappers van het U.S. Naval Research Laboratory hebben een nieuw proces bedacht om nanodeeltjes te gebruiken om krachtige lasers te bouwen die efficiënter en veiliger zijn voor uw ogen.

Ze doen het met wat 'zeldzame aarde-ion-gedoteerde vezels' wordt genoemd. Simpel gezegd, het is laserlicht dat een silicavezel pompt die doordrenkt is met zeldzame aardionen van holmium. Volgens Jas S. Sanghera, die aan het hoofd staat van de afdeling optische materialen en apparaten, ze hebben een efficiëntie van 85 procent bereikt met hun nieuwe proces.

"Doping betekent gewoon dat we zeldzame aardionen in de kern van de vezel stoppen, waar alle actie plaatsvindt, " legde Sanghera uit. "Zo hebben we dit wereldrecord efficiëntie geproduceerd, en dat is wat we nodig hebben voor een energieke, oogveilige laser."

Volgens Colin Baker, onderzoekschemicus bij de afdeling Optical Materials and Devices, het laserproces is afhankelijk van een pompbron - meestal een andere laser - die de zeldzame aardionen opwekt, die vervolgens fotonen uitzenden om licht van hoge kwaliteit te produceren voor laseren op de gewenste golflengte.

"Maar dit proces heeft een straf, Baker zei. "Het is nooit 100 procent efficiënt. Wat je erin stopt is pompenergie, niet het hoogwaardige licht op de gewenste golflengte. Wat eruit komt is een veel hogere kwaliteit licht op de specifieke golflengte die je wilt, maar de resterende energie die niet in laserlicht wordt omgezet, wordt verspild en omgezet in warmte."

Dat energieverlies, Bakker zei, beperkt uiteindelijk de power-scaling en de kwaliteit van het laserlicht, wat efficiëntie bijzonder belangrijk maakt.

Met behulp van een nanodeeltjes 'doteringsmiddel, ' ze zijn in staat om het efficiëntieniveau van 85 procent te bereiken met een laser die werkt op een golflengte van 2 micron, die wordt beschouwd als een "oogveiligere" golflengte, in plaats van de traditionele 1 micron. Natuurlijk, Bakker wees erop, geen enkele laser kan als veilig worden beschouwd als het gaat om het menselijk oog.

Het gevaar komt voort uit het potentieel van verstrooid licht dat tijdens de werking van een laser in het oog wordt gereflecteerd. Verstrooid licht van het pad van een laser van 100 kilowatt die werkt op 1 micron kan aanzienlijke schade aan het netvlies veroorzaken, tot blindheid leiden. Met een oogveiligere laser, bedreven bij golflengten groter dan 1,4 micron, echter, het gevaar van verstrooid licht wordt aanzienlijk verminderd.

Jas Sanghera, U.S. Naval Research Laboratory, afdelingshoofd voor optische materialen en apparaten, houdt optische vezels omhoog die zullen worden gebruikt om oogveilige lasers te produceren bij het Amerikaanse NRL, DC op 26 maart, 2019. Krediet:Amerikaanse marine/Jonathan Steffen

Volgens Bakker, de doping van nanodeeltjes lost ook verschillende andere problemen op, zoals dat het de zeldzame aardionen van het kiezelzuur afschermt. Bij 2 micron, de glasachtige structuur van het silica kan de lichtopbrengst van de zeldzame aardionen verminderen. De nanodeeltjesdoping scheidt ook de zeldzame aardionen van elkaar, wat handig is, omdat ze dicht bij elkaar staan, ook de lichtopbrengst kan verminderen.

Traditionele lasers die werken op 1 micron, met behulp van een ytterbium-doteringsmiddel, worden lang niet zo beïnvloed door deze factoren, zei Bakker.

"De oplossing was een zeer slimme chemie die holmium oploste in een nanopoeder van lutetia of lanthaanoxide of lanthaanfluoride om een ​​geschikte kristalomgeving [voor de zeldzame aardionen] te creëren, " zei Sanghera. "Het gebruik van emmerchemie om dit nanopoeder te synthetiseren was de sleutel om de kosten laag te houden."

De deeltjes van het nanodeeltjespoeder, die Sanghera's team oorspronkelijk had gesynthetiseerd voor een eerder project, zijn doorgaans minder dan 20 nanometer, dat is 5, 000 keer kleiner dan een mensenhaar.

"Aanvullend, we moesten deze nanopoeders met succes in de silicavezel kunnen doteren in hoeveelheden die geschikt zouden zijn om laserwerking te bereiken, " hij voegde toe.

Bij de afdeling optische materialen en apparaten, Sanghera's team van wetenschappers werkt met een kamergrote, glasbewerkende draaibank, waar het glas dat uiteindelijk de vezel wordt, wordt gereinigd met fluorgassen, gevormd met een brander en doordrenkt met het mengsel van nanodeeltjes - wat de wetenschappers een 'nanodeeltjessuspensie' noemen. Het resultaat is een met zeldzame aarde gedoteerde, glazen staaf met een diameter van één inch, of "optische voorvorm."

naast de deur, wetenschappers gebruiken een vezeltreksysteem - een toren die zo massief is dat hij twee grote kamers en de hoogte van twee verdiepingen van het gebouw in beslag neemt - om de voorvorm met een oven zacht te maken en te verlengen, in een proces dat lijkt op het trekken van taffy, in een optische vezel zo dun als een mensenhaar, die vervolgens op een nabijgelegen grote spil spoelt.

Het team van Sanghera heeft al een patentaanvraag ingediend voor het proces. Een van de mogelijke toepassingen die ze voor ogen hebben voor de nieuwe speciale fiberlaser zijn krachtige lasers en versterkers voor defensie, telecommunicatie en zelfs lassen en lasersnijden.

"Vanuit een fundamenteel perspectief, het hele proces is commercieel levensvatbaar, Sanghera zei. „Het is een goedkoop proces om het poeder te maken en het in de vezel op te nemen. Het proces lijkt erg op het maken van telecomvezel."