研究人員使用納米顆粒來增加光纖激光器的功率和安全性
上圖所示為美國海軍研究實驗室科林·貝克（Colin Baker）持有一根硅玻璃棒（光學預製棒），該硅玻璃棒將被拉製成光纖，該光纖適用於生產對於人眼更安全的光纖激光器。
美國海軍研究實驗室的科學家們發明了一種新的方法，利用納米顆粒製造出更有效、更安全的激光。
他們用的是所謂的「稀土離子摻雜光纖」，簡單地說，就是用激光抽運一根摻有鈥稀土離子的硅纖維。據光學材料和器件部門的負責人JasS.Sanghera說，他們的新工藝已經達到了85%的效率。
桑赫拉解釋說：「摻雜只意味著我們將稀土離子注入纖維的核心，這就是所有反應發生的地方。這就是我們如何創造世界紀錄的效率，這也是我們需要的高能、更安全的激光。」
據光學材料與器件部門的研究化學家科林·貝克（Colin Baker）說，激光加工過程依賴於一個泵浦源，通常是另一個激發稀土離子的激光，然後稀土離子發射光子，以產生高質量的光，以達到所需的波長。
貝克說：「但這一過程會受到一定的限制，它從來沒有100%的效率。你輸入的是泵能，而不是你想要的波長的高質量光。在你想要的特定波長下，光的質量要高得多，但是沒有轉化為激光的剩餘能量會被浪費並轉化為熱量。」
貝克說，能量的損失最終限制了功率的縮放和激光的質量，這使得效率特別重要。
在納米顆粒「摻雜劑」的幫助下，他們能夠使用波長為2微米的激光器達到85%的效率，這種激光器被認為是「眼睛更安全」的波長，而不是傳統的1微米波長。當然，貝克指出，當涉及到人眼時，沒有激光可以說是安全的。
這種危險源於在激光操作過程中散射光可能反射到眼睛中。在1微米處工作的100千瓦激光路徑上的散射光會對視網膜造成嚴重損害，導致失明。然而，使用一種波長超過1.4微米、眼睛更安全的激光器，散射光的危險會大大降低。
JasSanghera是美國海軍研究實驗室光學材料和設備部門負責人，持有光纖，將用於在2019年3月26日在美國海軍研究實驗室（NRL，DC）生產眼睛安全激光器。
Baker說，納米顆粒摻雜還解決了其他幾個問題，比如它可以保護稀土離子不受硅的影響。在2微米，硅的玻璃狀結構可以減少稀土離子的光輸出。納米顆粒摻雜還將稀土離子彼此分離，這是有幫助的，因為將它們緊密地結合在一起也可以減少光輸出。
貝克說，傳統的激光工作在1微米，使用摻鉺劑，並沒有受到這些因素的影響。
Sanghera說：「該溶液是一種非常聰明的化學物質，它將鈥溶解在一種納米的氧化鑭或氟化鑭粉末中，為稀土離子創造一個合適的晶體環境。利用桶式化學法合成這種納米粉末是降低成本的關鍵。」
Sanghera的團隊最初為之前的一個項目合成的納米粉末的顆粒通常小於20納米，比人類的頭髮小5000倍。
「此外，我們必須能夠成功地將這些納米粉末摻雜到硅纖維中，其數量將適合實現激光，」他補充說。
在光學材料與器件部門，Sanghera的科學家團隊正在使用一個房間大小的玻璃加工機床，在那裡，最終將成為纖維的玻璃用氟氣體清潔，用噴燈成型，並注入納米顆粒混合物，這正是科學界所認為的。STS稱之為「納米顆粒泥漿」，其結果是摻雜稀土離子、直徑1英寸的玻璃棒或「光學預製棒」。
在隔壁，科學家們使用一個纖維拉伸系統——一個巨大的塔，它佔據了兩個大房間和兩層樓的高度，用一個爐子軟化預製件，並將其拉長，這個過程類似於把太妃糖拉成一根光纖，大約和人的頭髮一樣細。然後繞到附近的大主軸上。
桑赫拉的團隊已經提交了一份專利申請。他們所設想的新型特種光纖激光器的潛在應用包括高功率激光器和國防、電信、甚至焊接和激光切割放大器。
「從根本上看，整個過程在商業上是可行的，」桑赫拉說。「這是一個低成本的過程，使粉末和纖維結合。這一過程與製造電信光纖非常相似。」
來源：https://phys.org/news/2019-07-nano-particles-power-eye-safety-fiber.html
TAG:實驗幫 |