Написано AZoNano [18459007][1945919199[19459][1945]

Исследователи из Военно-морской исследовательской лаборатории США разработали новый процесс использования наночастиц для создания надежных лазеров, которые более эффективны и безопасны для глаз человека.

Они реализуют это с помощью так называемого «волокна, легированного редкоземельными ионами». Другими словами, это лазерный свет, накачивающий волокно кремнезема, которое было наполнено редкоземельными ионами гольмия. По словам Яса С. Сангхера, который возглавляет Отдел оптических материалов и приборов, они достигли 85% эффективности благодаря своему новому процессу.

Допинг просто означает, что мы помещаем редкоземельные ионы в сердцевину волокна, где и происходит все действие. Вот как мы добились этой мировой рекордной эффективности, и это то, что нам нужно для высокоэнергетического, более безопасного для глаз лазера.

Джас С. Сангера, Отдел оптических материалов и приборов, Военно-морская исследовательская лаборатория США

По словам Колина Бейкера, химика-исследователя из Отдела оптических материалов и устройств, процесс генерации зависит от источника накачки – чаще всего от другого лазера – который возбуждает редкоземельные ионы, которые затем испускают фотоны, давая свет высокого качества для генерация на предпочтительной длине волны.

Но этот процесс имеет штраф . Это никогда не на 100 процентов эффективно. То, что вы вкладываете, это энергия накачки, а не высококачественный свет на нужной длине волны. В результате получается гораздо более высокое качество света на конкретной длине волны, которую вы хотите, но оставшаяся энергия, которая не преобразуется в лазерный свет, теряется и превращается в тепло.

Колин Бейкер, химик-исследователь, отделение оптических материалов и приборов, военно-морская исследовательская лаборатория США

Эта потеря энергии, сказал Бейкер, в конечном итоге ограничивает масштабирование мощности и качество лазерного излучения, что делает эффективность особенно важной.

С помощью «легирующей примеси» из наночастиц они могут достигать 85% -ного уровня эффективности с помощью лазера, который работает на длине волны 2 мкм, которая, как говорят, «безопаснее для глаз», а не на длине волны. традиционный 1 мкм. Очевидно, подчеркнул Бейкер, ни один лазер не может считаться полностью безопасным для человеческого глаза.

Риск связан с возможностью рассеяния света, отраженного в глаз во время работы лазера. Рассеянный свет от пути 100-киловаттного лазера, работающего на 1 мкм, может вызвать существенное повреждение сетчатки, что приводит к слепоте. Однако при использовании более безопасного для глаз лазера, работающего на длинах волн более 1,4 мкм, опасность рассеянного света значительно уменьшается.

Согласно Бейкеру, легирование наночастицами также решает некоторые другие проблемы, такие как защита редкоземельных ионов от кремнезема. При 2 мкм стекловидная структура кремнезема может уменьшить световой выход редкоземельных ионов. Легирование наночастицами также удерживает ионы редкоземельных элементов отдельно друг от друга, что полезно, так как их плотное соединение может также уменьшить светоотдачу.

(Традиционные лазеры, которые работают на 1 мкм с использованием иттербиевой присадки, не так сильно подвержены влиянию этих аспектов, сказал Бейкер.)

Решением было несколько очень умных химикатов, которые растворяли гольмий в нанопорошке лютеции или оксида лантана или фторида лантана для создания подходящей кристаллической среды [for the rare earth ions] . Использование химии ведра для синтеза этого нанопорошка было ключевым в снижении стоимости.

Джас С. Сангера, Отдел оптических материалов и приборов, Военно-морская исследовательская лаборатория США

Частицы порошка наночастиц, которые команда Сангхеры первоначально синтезировала для более раннего проекта, обычно меньше 20 нм, что в 5000 раз меньше человеческого волоса.

«Кроме того, мы должны были быть в состоянии успешно нанести эти нанопорошки на волокно кремнезема в количествах, подходящих для лазерной генерации», – продолжил он

.

В отделе оптических материалов и устройств группа исследователей Sanghera работает с токарным станком для обработки стекла размером с комнату, где стекло, которое в конечном итоге превратится в волокно, очищается от фторсодержащих газов, отлитых с помощью выдувной горелки, и наполненный смесью наночастиц – то, что исследователи называют «суспензией наночастиц». В результате получается стеклянный стержень, легированный ионами редкоземельных элементов, диаметром один дюйм или «оптическая преформа».

По соседству исследователи используют систему вытягивания волокна – башню настолько огромную, что она занимает две большие комнаты и; высоту двух этажей здания – чтобы смягчить заготовку с помощью печи и растянуть ее, подобно процессу вытягивания ириски, в оптическое волокно, примерно такое же тонкое, как человеческий волос, которое затем наматывается на соседний большой шпиндель.

Команда Сангхеры подала заявку на патент для этого процесса. Среди возможных применений, они визуализируют для нового специализированного волоконного лазера мощные усилители и лазеры для телекоммуникаций, обороны и даже для лазерной резки и сварки.

«С фундаментальной точки зрения весь процесс является коммерчески жизнеспособным», – сказал Сангхера. «Это недорогой процесс изготовления порошка и включения его в волокно. Процесс очень похож на создание телекоммуникационного волокна ».

Источник: https://www.nrl.navy.mil