Forskare vid U.S. Naval Research Laboratory har utarbetat en ny process för att använda nanopartiklar för att bygga kraftfulla lasrar som är effektivare och säkrare för dina ögon.

De gör det med vad som kallas "sällsynt jordartsmetalljondopad fiber." Enkelt uttryckt, det är laserljus som pumpar en kiseldioxidfiber som har infunderats med sällsynta jordartsmetalljoner av holmium. Enligt Jas S. Sanghera, som leder grenen Optical Materials and Devices, de har uppnått en effektivitet på 85 procent med sin nya process.

"Dopning betyder bara att vi lägger sällsynta jordartsmetalljoner i kärnan av fibern, det är där allt händer, " Sanghera förklarade. "Det är så vi har producerat denna världsrekord effektivitet, och det är vad vi behöver för en högenergi, ögonsäkrare laser."

Enligt Colin Baker, forskningskemist med Optical Materials and Devices Branch, lasringsprocessen är beroende av en pumpkälla – oftast en annan laser – som exciterar de sällsynta jordartsmetalljonerna, som sedan sänder ut fotoner för att producera ett högkvalitativt ljus för att lasera vid önskad våglängd.

"Men den här processen har en påföljd, ", sa Baker. "Det är aldrig 100 procent effektivt. Det du lägger in är pumpenergi, inte det högkvalitativa ljuset vid den våglängd du vill ha. Det som kommer ut är en mycket högre ljuskvalitet vid den specifika våglängd du vill ha, men den återstående energin som inte omvandlas till laserljus går till spillo och omvandlas till värme."

Den där förlusten av energi, Baker sa, begränsar i slutändan effektskalning och kvaliteten på laserljuset, vilket gör effektiviteten extra viktig.

Med hjälp av en nanopartikel-dopant, ' de kan uppnå 85-procentig effektivitet med en laser som arbetar med en våglängd på 2 mikron, som anses vara en "ögonsäkrare" våglängd, snarare än den traditionella 1 mikron. Självklart, Baker påpekade, ingen laser kan sägas vara säker när det gäller det mänskliga ögat.

Faran uppstår från risken för spritt ljus att reflekteras in i ögat under en laseroperation. Spritt ljus från banan för en 100 kilowatts laser som arbetar vid 1 mikron kan orsaka betydande skador på näthinnan, leder till blindhet. Med en ögonsäkrare laser, drivs vid våglängder över 1,4 mikron, dock, faran från spritt ljus minskar avsevärt.

Enligt Baker, nanopartikeldopningen löser också flera andra problem, som att den skyddar de sällsynta jordartsmetalljonerna från kiseldioxiden. Vid 2 mikron, kiseldioxidens glasartade struktur kan minska ljusutbytet från joner av sällsynta jordartsmetaller. Nanopartikeldopningen separerar också de sällsynta jordartsmetalljonerna från varandra, vilket är användbart eftersom att packa dem tätt tillsammans kan också minska ljuseffekten.

Traditionella lasrar som arbetar vid 1 mikron, använder ett ytterbiumdopmedel, är inte alls lika påverkade av dessa faktorer, sa Baker.

"Lösningen var en mycket smart kemi som löste holmium i ett nanopulver av lutetia eller lantanoxid eller lantanfluorid för att skapa en lämplig kristallmiljö [för de sällsynta jordartsmetalljonerna], "Sade Sanghera. "Att använda hinkkemi för att syntetisera detta nanopulver var nyckeln till att hålla kostnaderna nere."

Partiklarna i nanopartikelpulvret, som Sangheras team ursprungligen hade syntetiserat för ett tidigare projekt, är vanligtvis mindre än 20 nanometer, vilket är 5, 000 gånger mindre än ett människohår.

"Dessutom, vi var tvungna att framgångsrikt kunna dopa in dessa nanopulver i kiseldioxidfibern i mängder som skulle vara lämpliga för att uppnå lasering, " han lade till.

På avdelningen Optical Materials and Devices, Sangheras team av forskare arbetar med en rumsstorlek, glasbearbetande svarv, där glaset som så småningom kommer att bli fibern renas med fluorgaser, gjuten med en blåslampa och infunderad med nanopartikelblandningen - vad forskarna kallar en "nanopartikeluppslamning". Resultatet är en sällsynt jordartsmetalljon-dopad, en tums diameter glasstav, eller "optisk förform".

Dörren intill, forskare använder ett fiberdragsystem – ett torn så massivt att det tar upp två stora rum och höjden på två våningar i byggnaden – för att mjuka upp förformen med en ugn och förlänga den, i en process som liknar att dra taffy, till en optisk fiber ungefär lika tunn som ett människohår, som sedan spolar på en närliggande stor spindel.

Sangheras team har redan lämnat in en patentansökan för processen. Bland de potentiella tillämpningarna de föreställer sig för den nya specialfiberlasern är högeffektslasrar och förstärkare för försvar, telekommunikation och till och med svetsning och laserskärning.

"Ur ett grundläggande perspektiv, hela processen är kommersiellt gångbar, ", sa Sanghera. "Det är en billig process att göra pulvret och införliva det i fibern. Processen är väldigt lik att göra telekomfiber."