Forskare har slitit i åratal, utan framgång, i jakten på en optisk kiseldioxidfiber som skulle kyla sig själv när den exciterades med infrarött laserljus. En sådan fiber skulle göra det möjligt att använda den mest förekommande typen av laserfiber – kiseldioxid – utan att behöva kyla den externt och, teoretiskt sett, producera laserbaserade enheter med exceptionellt rena och stabila frekvenser.

"Istället för att ta bort värmen från lasern, vilket kräver lite att göra, du genererar bara inte värmen i första hand, sa Michel Digonnet, som är forskarprofessor i tillämpad fysik vid School of Humanities and Sciences vid Stanford University.

En självkylande laser kan användas, till exempel, för att skapa avancerade fiberförstärkare - enheter som förstärker ljussignaler som färdas genom dem och är avgörande för att transportera information som är kodad på optiska signaler över mycket långa avstånd. För närvarande, denna process genererar värme som försämrar kvaliteten på ljussignalen; att använda en självkyld fiber skulle eliminera detta problem.

Men att hitta den rätta kiseldioxidsammansättningen har visat sig svårfångad till den grad att vissa experter trodde att det var högst osannolikt att uppnå detta mål, om inte omöjligt. De generellt låga förväntningarna på att någonsin hitta denna fiber hade gett Stanford-studenten Jennifer Knall tillräckligt med tvivel, att när hon äntligen bevittnade de första tecknen på självkylning i sina experiment med kiselfiber, hon körde testerna igen. Och igen. Och igen.

"I hemlighet, Jag hade nästan gett upp hoppet, sade Knall, som är doktorand i elektroteknik. "Men teorin var solid, och vi hade verkligen fantastiska samarbetspartners som var villiga att lyssna på oss och fortsätta göra optiska fibrer. Så jag fortsatte att testa."

Den första fibern

Bekräftelsen kom sent på kvällen. Efter några tester med kiseldioxidfibrer som inte visade någon kylning när de pumpades med laserljus, Knall bestämde sig för att upprepa experimentet med ljus med lägre energi. Skillnaden i energi var mycket liten, men det förändrade allt. När temperaturmätningsdiagrammet laddades på hennes skärm, det blev ett dopp.

"Jag trodde, "Det finns inget sätt." Jag ville inte väcka förhoppningar eftersom det kunde ha varit vilseledande fluktuationer i mätningarna från temperatursensorn, sa Knall.

Så, hon gjorde om måttet. Sex gånger till. Dippen var konsekvent, och Knall blev den första personen att bevittna en optisk kiselfiber som blev kallare, inte hetare, när det upphetsas av ljus. Hon kontaktade omedelbart deras medarbetare - Magnus Engholm vid Mittuniversitetet, John Ballato vid Clemson University, Martin Bernier och Tommy Boilard vid Université Laval, och Peter Dragic och Nanjie Yu vid University of Illinois Urbana-Champaign – för att tillkännage det enastående resultatet av flera års forskningssamarbete. "Jag skickade ut ett mejl till alla i alla storlekar:VI GJORDE DET."

Temperaturen på en självkylande kiselfiberlaser fluktuerar inte, så ljusets frekvens och effekt är mer stabil över tiden än lasrar med extern kylning. Detta resulterar i en emission som är en mer konsekvent färg, eller våglängd, av ljus.

"Plötsligt är denna underbara idé tillämplig på det vanligaste lasermaterialet i fiberform, vilket vi inte trodde var möjligt för sex månader sedan, "Sa Digonnet.

Digonnet och Knall var seniorförfattare och huvudförfattare, respektive, av ett papper i Optik bokstäver som tillkännagav sitt genombrott i februari 2020, tätt följt av en annan tidning, publicerades i juni i samma tidskrift, som undersökte sätt att förbättra sitt eget arbete och rapporterade ett nytt kylrekord. De har också nyligen integrerat kiseldioxidfibern i en laserförstärkare. I det långa loppet, Digonnet och Knall måste också ta reda på hur laserförstärkaren kan fungera mer effektivt så att den kan användas för storskaliga laserapplikationer med hög effekt.

På kort sikt, denna fiber kan visa sig vara extremt värdefull för lågeffektvetenskapliga tillämpningar som syftar till att samla in högprecisionsmätningar av fysiska parametrar som acceleration, akustiska vågor eller spänningar.

Håller det svalt

För att förstå betydelsen av detta genombrott, man måste förstå några enkla fakta om lasrar. Lasrar är speciella för intensiteten och monokromaticiteten hos det ljus de producerar. Fiberbaserade lasrar är fibrer som omvandlar kaotiska, spektralt brett "pump" -ljus till monokromatiskt ljus med hög renhet. Men i processen att producera laserljus, fiberbaserade lasrar, som alla lasrar, värma upp på oönskade sätt. Detta problem är för närvarande löst genom att lägga till skrymmande, vattenbaserade kylsystem, som ger andra skadliga effekter. En kiseldioxidfiber som kan självkyla ger ett renare laserljus.

Denna form av kylning uppstår när en jon av sällsynt jordartsmetall som tillsätts fibern (som ytterbium) absorberar lågenergiljus och sedan avger ljus på en något högre energinivå. Denna process, känd som anti-Stokes fluorescens, leder till en sänkning av fibertemperaturen. Detta är utmanande inom kiseldioxid, dock, eftersom energin från en exciterad ytterbiumjon kan hoppa till en förorening i fibern och frigöra energi som värme genom en process som kallas "koncentrationssläckning". Fortfarande, Knall och Digonnet visste att, åtminstone teoretiskt, det bör finnas en lämplig fibersammansättning för laserkylning i kiseldioxid.

"Utmaningen var att hitta materialet som skulle ta emot så mycket ytterbium som möjligt utan att ha den härdande effekten, " sa Digonnet. "När koncentrationen av ytterbium är för låg, kylningen är för liten. När den är för hög, jonerna förlorar sin kylningseffektivitet. Vi behövde hitta en glaskomposition som förde balansen mellan dessa två motsatta effekter mot en högre koncentration."

Onekligen användbart

Sedan deras första genombrott, forskarna har hittat ytterligare två kiseldioxidfiberkompositioner som självkyler, och Knall har använt den bäst presterande kandidaten för att skapa en kyld fiberförstärkare. Hon har kunnat förstärka laserljus mer än 40-faldigt samtidigt som hon har bibehållit en negativ medeltemperaturförändring längs fiberns längd. Medan kyltesterna visade att laserkylning i kiseldioxid är möjlig, denna fiberförstärkare visar att den också är onekligen användbar i praktiken.

Just nu, forskarna extraherar cirka 4 procent av energin de injicerar i fibrerna. Detta gör det osannolikt att fibrerna skulle användas för applikationer med hög effekt utan att först förstärka denna låga effektivitet, men forskarna ser många möjligheter för extremt stabila lasrar i applikationer med lägre effekt, som extremt exakt mätning, eller vetenskapen om mätningar.

"Hur långt vi kan ta den här tekniken kommer att bero på hur mycket forskare kan driva materialvetenskapen, " sa Digonnet. "Detta är bara toppen av isberget."