Onderzoekers hebben jarenlang gezwoegd, tevergeefs, op zoek naar een optische vezel van silica die zichzelf zou koelen als hij werd aangeslagen met infrarood laserlicht. Een dergelijke vezel zou het mogelijk maken om het meest alomtegenwoordige type laservezel - silica - te gebruiken zonder het extern te hoeven koelen en, theoretisch, produceren op laser gebaseerde apparaten met uitzonderlijk zuivere en stabiele frequenties.

"In plaats van de warmte van de laser te verwijderen, dat kost wat moeite, je genereert gewoon niet de warmte in de eerste plaats, " zei Michel Digonnet, die een onderzoeksprofessor toegepaste natuurkunde is aan de School of Humanities and Sciences aan de Stanford University.

Een zelfkoelende laser kan worden gebruikt, bijvoorbeeld, om geavanceerde glasvezelversterkers te maken - apparaten die lichtsignalen versterken die er doorheen reizen en die een belangrijke rol spelen bij het transporteren van informatie die is gecodeerd op optische signalen over zeer lange afstanden. Momenteel, dit proces genereert warmte die de kwaliteit van het lichtsignaal verslechtert; het gebruik van een zelfgekoelde vezel zou dit probleem elimineren.

Maar het vinden van de juiste silicasamenstelling bleek zo ongrijpbaar dat sommige experts dachten dat het hoogst onwaarschijnlijk was om dit doel te bereiken. zo niet onmogelijk. De over het algemeen lage verwachtingen om deze vezel ooit te vinden, hadden Stanford-studente Jennifer Knall genoeg twijfel gegeven, dat toen ze eindelijk de eerste tekenen van zelfkoeling zag in haar experimenten met silicavezels, ze deed de tests opnieuw. En opnieuw. En opnieuw.

"Stiekem, Ik had de hoop bijna opgegeven, " zei Knal, die een afgestudeerde student elektrotechniek is. "Maar de theorie was solide, en we hadden echt geweldige medewerkers die naar ons wilden luisteren en optische vezels bleven maken. Dus ik bleef testen."

De eerste vezel

De bevestiging kwam laat op de avond. Na een paar tests met silicavezels die geen koeling aantoonden wanneer ze met laserlicht werden gepompt, Knall besloot het experiment te herhalen met licht met een lagere energie. Het verschil in energie was erg klein, maar het veranderde alles. Toen de temperatuurmeetgrafiek op haar scherm werd geladen, er was een duik.

"Ik dacht, "Er is geen manier." Ik wilde er niet op hopen, want het zouden misleidende fluctuaties in de metingen van de temperatuursensor kunnen zijn, ' zei Knal.

Dus, ze deed de meting opnieuw. Nog zes keer. De dip was consistent, en Knall werd de eerste persoon die getuige was van een silica-optische vezel die kouder werd, niet heter, wanneer opgewonden door licht. Ze nam onmiddellijk contact op met hun medewerkers:Magnus Engholm van de Mid Sweden University, John Ballato aan de Clemson University, Martin Bernier en Tommy Boilard aan de Université Laval, en Peter Dragic en Nanjie Yu van de University of Illinois Urbana-Champaign, om het uitstekende resultaat van meerdere jaren van gezamenlijk onderzoek aan te kondigen. "Ik heb iedereen in hoofdletters een e-mail gestuurd:WE DID IT."

De temperatuur van een zelfkoelende silica-vezellaser fluctueert niet, dus de frequentie en het vermogen van het licht dat ze uitstralen zijn stabieler in de tijd dan lasers met externe koeling. Dit resulteert in een emissie die een meer consistente kleur heeft, of golflengte, van licht.

"Ineens is dit prachtige idee toepasbaar op het meest voorkomende lasermateriaal in vezelvorm, waarvan we zes maanden geleden niet dachten dat het mogelijk was, ' zei Digonnet.

Digonnet en Knall waren senior auteur en hoofdauteurs, respectievelijk, van een papier in Optica Letters die in februari 2020 hun doorbraak aankondigden, op de voet gevolgd door een ander papier, afgelopen juni in hetzelfde tijdschrift gepubliceerd, die manieren onderzochten om hun eigen werk te verbeteren en een nieuw koelrecord rapporteerden. Ze hebben onlangs ook de silicavezel geïntegreerd in een laserversterker. Op lange termijn, Digonnet en Knall moeten ook uitzoeken hoe de laserversterker efficiënter kan werken, zodat deze kan worden gebruikt voor grootschalige lasertoepassingen met hoog vermogen.

Op korte termijn, deze vezel zou uiterst waardevol kunnen zijn voor wetenschappelijke toepassingen met een laag vermogen die gericht zijn op het verzamelen van zeer nauwkeurige metingen van fysieke parameters zoals versnelling, akoestische golven of spanning.

Het koel houden

Om de betekenis van deze doorbraak te waarderen, men moet enkele eenvoudige feiten over lasers begrijpen. Lasers zijn speciaal vanwege de intensiteit en monochromaticiteit van het licht dat ze produceren. Op vezels gebaseerde lasers zijn vezels die chaotische, spectraal breed "pomp" licht in zeer zuiver monochromatisch licht. Maar tijdens het produceren van laserlicht, op vezels gebaseerde lasers, zoals alle lasers, op ongewenste manieren opwarmen. Dit probleem wordt momenteel opgelost door omvangrijke, koelsystemen op waterbasis, die andere nadelige effecten hebben. Een silicavezel die zichzelf kan afkoelen, resulteert in een schoner laserlicht.

Deze vorm van koeling vindt plaats wanneer een zeldzame-aarde-ion dat aan de vezel wordt toegevoegd (zoals ytterbium) laagenergetisch licht absorbeert en vervolgens licht uitstraalt met een iets hoger energieniveau. Dit proces, bekend als anti-Stokes-fluorescentie, leidt tot een verlaging van de vezeltemperatuur. Dit is een uitdaging in silica, echter, omdat de energie van een geëxciteerd ytterbium-ion naar een onzuiverheid in de vezel kan springen en energie als warmte kan afgeven via een proces dat bekend staat als 'concentratie-quenching'. Nog altijd, Knall en Digonnet wisten dat, theoretisch althans, er moet een geschikte vezelsamenstelling zijn voor laserkoeling in silica.

"De uitdaging was om het materiaal te vinden dat zoveel mogelijk ytterbium zou bevatten zonder het uitdovende effect, " zei Digonnet. "Als de concentratie van ytterbium te laag is, de koeling is te klein. Wanneer het te hoog is, de ionen verliezen hun koelefficiëntie. We moesten een glassamenstelling vinden die de balans tussen deze twee tegengestelde effecten naar een hogere concentratie duwde."

Onmiskenbaar nuttig

Sinds hun eerste doorbraak, de onderzoekers hebben nog twee silicavezelsamenstellingen gevonden die zichzelf koelen, en Knall heeft de best presterende kandidaat gebruikt om een ​​gekoelde vezelversterker te creëren. Ze heeft laserlicht meer dan 40 keer kunnen versterken terwijl ze een negatieve gemiddelde temperatuurverandering over de lengte van de vezel handhaafde. Terwijl uit de koeltesten bleek dat laserkoeling in silica mogelijk is, deze fiberversterker laat zien dat hij ook in de praktijk onmiskenbaar bruikbaar is.

Direct, de onderzoekers halen ongeveer 4 procent van de energie die ze in de vezels injecteren. Dit maakt het onwaarschijnlijk dat de vezels zouden worden gebruikt voor toepassingen met hoog vermogen zonder eerst dit lage rendement te verhogen, maar de onderzoekers zien veel kansen voor extreem stabiele lasers in toepassingen met een lager vermogen, zoals uiterst nauwkeurige metrologie, of de wetenschap van metingen.

"Hoe ver we met deze technologie kunnen komen, hangt af van hoeveel onderzoekers de materiaalwetenschap kunnen pushen, "zei Digonnet. "Dit is nog maar het topje van de ijsberg."