實現利用納米粒子來增加功率，同時提高光纖激光器對眼睛安全性！

稀土離子摻雜光纖

實現利用納米粒子來增加功率，同時提高光纖激光器對眼睛安全性！科學家們設計了一種新的方法，可以利用納米粒子製造出更有效、更安全的強激光。光學材料和器件部門負責人Jas S. Sanghera說：用的是「稀土離子摻雜光纖」，簡單地說，這是激光泵送二氧化硅纖維，已經注入了稀土離子鈥。據，新工藝已經達到了85%的效率。摻雜只是意味著把稀土離子放入纖維的核心，所有的作用都發生在那裡。

這就是新研究創造世界紀錄效率的方式，也是我們製造高能量、對眼睛更安全的激光器所需的。根據光學材料與器件分部的化學家科林·貝克的研究，激光激射過程依賴於泵浦源（通常是另一種激光）激發稀土離子，然後稀土離子發射光子，產生高質量的光，以達到理想的激光激射波長。但是，這個過程是有代價的，不是100%有效的，輸入的是泵浦能量，而不是想要的波長高質量光，在想要的特定波長下，會產生更高質量的光。但剩餘的能量沒有轉化為激光，而是被浪費掉，轉化為熱能。

能量的損失最終限制了功率縮放和激光的質量，這使得效率變得尤為重要。在納米粒子「摻雜劑」的幫助下，可以用2微米波長的激光達到85%效率，這被認為是一個「對眼睛更安全」的波長，而不是傳統的1微米波長。當然，對於人眼來說，沒有一種激光是安全的。這種危險來自於在激光手術過程中，散射光有可能反射到眼睛裡。100千瓦的激光以1微米的速度工作，散射的光會對視網膜造成嚴重損害，導致失明。然而，在波長超過1.4微米的情況下使用，對眼睛更安全的激光，散射光的危險大大降低。

納米粒子摻雜還解決了其他幾個問題，比如它可以保護硅中的稀土離子。在2微米時，二氧化硅的玻璃狀結構可以減少稀土離子的光輸出。納米粒子摻雜還可以將稀土離子彼此分離，這是有幫助的，因為將它們緊密地包裹在一起也可以減少光的輸出。使用鐿摻雜劑的傳統激光器工作在1微米時，幾乎不受這些因素的影響。解決方案是一些非常聰明的化學方法，將鈥溶解在由黃褐斑、氧化鑭或氟化鑭組成的納米粉末中，為稀土離子創造一個合適的晶體環境。利用桶狀化學合成這種納米粉體是降低成本的關鍵。

Sanghera團隊最初為之前的一個項目合成了這種納米顆粒粉末，其顆粒通常小於20納米，比人的頭髮小5000倍。此外，必須能夠成功地將這些納米粉末摻雜到二氧化硅纖維中，其數量足以實現lasing。在光學材料與設備分部，Sanghera科學家團隊正在使用一個房間大小的玻璃加工車床，在那裡，最終成為纖維的玻璃將被氟氣體凈化，用吹塑火炬成型，並注入納米顆粒混合物——科學家們稱之為「納米顆粒漿液」。其結果是一種稀土離子摻雜的一英寸直徑的玻璃棒，或「光學預製件」。

科學家們使用了一個纖維拉制系統（一個巨大的塔，它佔據了兩個大房間和兩層樓的高度）用熔爐軟化預製體，並拉長它，這個過程類似於把太妃糖拉製成一根頭髮那麼細的光纖，然後纏繞在一個大紡錘上。Sanghera團隊已經為這一過程提交了專利申請，為這種新型特種光纖激光器設想的潛在應用包括用於國防、電信、甚至焊接和激光切割的大功率激光器和放大器。從根本上看，整個過程在商業上是可行的，這是一個低成本的過程，使粉末，並納入到纖維，這一過程與製造電信光纖非常相似。

來源：海軍研究實驗室博科園

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