Ученые из Лаборатории военно-морских исследований США разработали новый процесс использования наночастиц для создания мощных лазеров, более эффективных и безопасных для глаз.
Они делают это с так называемым "волокном, легированным редкоземельными ионами". Проще говоря, это лазерный свет , накачивающий кварцевое волокно, наполненное редкоземельными ионами гольмия. По словам Джаса С. Сангеры, возглавляющего отделение оптических материалов и устройств, эффективность нового процесса достигла 85 процентов.
"Легирование просто означает, что мы помещаем ионы редкоземельных элементов в сердцевину волокна, где и происходит все действие", — объяснил Сангера. "Вот как мы достигли этого мирового рекорда эффективности, и это то, что нам нужно для высокоэнергетического и безопасного для глаз лазера".
По словам Колина Бейкера, химика-исследователя из отделения оптических материалов и устройств, процесс генерации основан на источнике накачки — чаще всего другом лазере, — который возбуждает ионы редкоземельных элементов, которые затем испускают фотоны для получения высококачественного света для генерации на уровне лазера. желаемая длина волны.
"Но у этого процесса есть штраф", — сказал Бейкер. "Он никогда не бывает на 100 процентов эффективен. То, что вы вкладываете, — это энергия накачки, а не высококачественный свет на той длине волны, которую вы хотите. то, что не преобразуется в лазерный свет, тратится впустую и преобразуется в тепло".
Эта потеря энергии, по словам Бейкера, в конечном итоге ограничивает масштабирование мощности и качество лазерного излучения , что делает эффективность особенно важной.
С помощью "примеси" наночастиц они смогли достичь 85-процентного уровня эффективности лазера, работающего на длине волны 2 микрона, которая считается "безопасной для глаз" длиной волны, а не традиционной. 1 микрон. Конечно, отметил Бейкер, ни о каком лазере нельзя сказать, что он безопасен для человеческого глаза.
Опасность возникает из-за возможности отражения рассеянного света в глаз во время работы лазера. Рассеянный свет от пути 100-киловаттного лазера, работающего на 1 микроне, может вызвать значительное повреждение сетчатки, приводящее к слепоте. Однако с более безопасным для глаз лазером, работающим на длинах волн более 1,4 микрона, опасность рассеянного света значительно снижается.
По словам Бейкера, легирование наночастицами также решает несколько других проблем, таких как защита редкоземельных ионов от кремнезема. Стеклянная структура кремнезема размером 2 микрона может уменьшить светоотдачу от редкоземельных ионов. Легирование наночастицами также отделяет ионы редкоземельных элементов друг от друга, что полезно, поскольку их близкое расположение также может уменьшить светоотдачу.
По словам Бейкера, традиционные лазеры, работающие на длине волны 1 микрон и использующие присадку иттербия, не так подвержены влиянию этих факторов.
"Решением стала очень умная химия, которая растворяла гольмий в нанопорошке лютеция, оксида лантана или фторида лантана, чтобы создать подходящую кристаллическую среду [для редкоземельных ионов]", — сказал Сангера. "Использование химии ведра для синтеза этого нанопорошка было ключевым фактором в снижении стоимости".
Частицы порошка наночастиц, который команда Сангеры изначально синтезировала для предыдущего проекта, обычно имеют размер менее 20 нанометров, что в 5000 раз меньше человеческого волоса.
"Кроме того, мы должны были иметь возможность успешно добавлять эти нанопорошки в кварцевое волокно в количествах, подходящих для получения генерации", — добавил он.
В Отделении оптических материалов и устройств команда ученых Сангеры работает с токарным станком размером с комнату, где стекло, которое в конечном итоге станет волокном, очищается газообразным фтором, формуется с помощью паяльной лампы и пропитывается наночастицами. смесь частиц — то, что ученые называют "суспензией наночастиц". В результате получается стеклянный стержень диаметром один дюйм, легированный редкоземельными ионами, или "оптическая заготовка".
По соседству ученые используют систему вытягивания волокон — башню настолько массивную, что она занимает две большие комнаты и высоту двух этажей здания, — чтобы смягчить преформу с помощью печи и удлинить ее, в процессе, похожем на вытягивание ириски. в оптическое волокно толщиной примерно с человеческий волос, которое затем наматывается на расположенный поблизости большой шпиндель.
Команда Сангеры уже подала заявку на патент на этот процесс. Среди возможных применений нового специализированного волоконного лазера — мощные лазеры и усилители для обороны, телекоммуникаций и даже сварки и лазерной резки.
"С фундаментальной точки зрения весь процесс является коммерчески жизнеспособным", — сказал Сангера. "Это недорогой процесс изготовления порошка и включения его в волокно. Этот процесс очень похож на производство телекоммуникационного волокна".
