I ricercatori hanno lavorato duramente per anni, senza successo, alla ricerca di una fibra ottica di silice che si raffredderebbe se eccitata con luce laser infrarossa. Tale fibra consentirebbe di utilizzare il tipo più diffuso di fibra laser, la silice, senza doverla raffreddare esternamente e, teoricamente, produrre dispositivi basati su laser con frequenze eccezionalmente pure e stabili.

"Invece di rimuovere il calore dal laser, che richiede un po' di lavoro, semplicemente non generi il calore in primo luogo, " disse Michel Digonnet, che è professore di fisica applicata presso la School of Humanities and Sciences della Stanford University.

Si potrebbe utilizzare un laser autoraffreddante, Per esempio, per creare amplificatori in fibra avanzati, dispositivi che amplificano i segnali luminosi che li attraversano e sono strumentali nel trasporto di informazioni codificate su segnali ottici su distanze molto lunghe. Attualmente, questo processo genera calore che degrada la qualità del segnale luminoso; l'utilizzo di una fibra auto-raffreddata eliminerebbe questo problema.

Ma trovare la giusta composizione di silice si è dimostrato sfuggente al punto che alcuni esperti pensavano che raggiungere questo obiettivo fosse altamente improbabile, se non impossibile. Le aspettative generalmente basse di trovare questa fibra avevano dato alla studentessa laureata di Stanford Jennifer Knall abbastanza dubbi, che quando ha finalmente assistito ai primi segni di auto-raffreddamento nei suoi esperimenti con la fibra di silice, ha ripetuto i test. E di nuovo. E di nuovo.

"Segretamente, avevo quasi perso la speranza, " disse Knall, che è uno studente laureato in ingegneria elettrica. "Ma la teoria era solida, e avevamo dei collaboratori davvero straordinari che erano disposti ad ascoltarci ea continuare a produrre fibre ottiche. Così ho continuato a testare".

La prima fibra

La conferma è arrivata a tarda notte. Dopo alcuni test utilizzando fibre di silice che non sono riuscite a dimostrare alcun raffreddamento quando pompate con luce laser, Knall decise di ripetere l'esperimento usando la luce con un'energia inferiore. La differenza di energia era molto piccola, ma ha cambiato tutto. Quando il grafico della misurazione della temperatura è stato caricato sul suo schermo, c'è stato un tuffo.

"Ho pensato, "Non c'è modo." Non volevo ricredermi perché avrebbero potuto essere fuorvianti fluttuazioni nelle misurazioni del sensore di temperatura, " disse Knall.

Così, ha rifatto la misura. Altre sei volte. Il tuffo è stato coerente, e Knall divenne la prima persona a testimoniare una fibra ottica di silice che si raffreddava, non più caldo, quando eccitato dalla luce. Ha immediatamente contattato i loro collaboratori:Magnus Engholm della Mid Sweden University, John Ballato alla Clemson University, Martin Bernier e Tommy Boilard all'Université Laval, e Peter Dragic e Nanjie Yu presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign, per annunciare l'eccezionale risultato di diversi anni di ricerca collaborativa. "Ho inviato un'e-mail a tutti in maiuscolo:CE l'abbiamo fatta".

La temperatura di un laser a fibra di silice autoraffreddante non fluttua, quindi la frequenza e la potenza della luce che emettono sono più stabili nel tempo rispetto ai laser con raffreddamento esterno. Ciò si traduce in un'emissione che è un colore più coerente, o lunghezza d'onda, di luce.

"All'improvviso questa meravigliosa idea è applicabile al materiale laser più comune in forma di fibra, che non pensavamo fosse possibile sei mesi fa, " ha detto Digonnet.

Digonnet e Knall erano autori senior e autori principali, rispettivamente, di una carta in Lettere di ottica che ha annunciato la sua svolta nel febbraio 2020, seguito da vicino da un altro documento, pubblicato lo scorso giugno sulla stessa rivista, che ha esplorato modi per migliorare il proprio lavoro e segnalare un nuovo record di raffreddamento. Recentemente hanno anche integrato la fibra di silice in un amplificatore laser. A lungo termine, Digonnet e Knall devono anche capire come l'amplificatore laser può funzionare in modo più efficiente in modo che possa essere utilizzato per applicazioni laser ad alta potenza su larga scala.

A breve termine, questa fibra potrebbe rivelarsi estremamente preziosa per applicazioni scientifiche a bassa potenza volte a raccogliere misurazioni ad alta precisione di parametri fisici come accelerazione, onde acustiche o deformazioni.

Mantenerlo fresco

Per apprezzare il significato di questa svolta, bisogna capire alcuni semplici fatti sui laser. I laser sono speciali per l'intensità e la monocromaticità della luce che producono. I laser a fibra sono fibre che convertono caotiche, luce "pompa" spettralmente ampia in luce monocromatica di elevata purezza. Ma nel processo di produzione della luce laser, laser a fibra, come tutti i laser, riscaldarsi in modi indesiderati. Questo problema è attualmente risolto aggiungendo ingombranti, sistemi di raffreddamento ad acqua, che producono altri effetti dannosi. Una fibra di silice che può auto-raffreddarsi produce una luce laser più pulita.

Questa forma di raffreddamento si verifica quando uno ione di terre rare aggiunto alla fibra (come l'itterbio) assorbe la luce a bassa energia e quindi emette luce a un livello di energia leggermente superiore. Questo processo, nota come fluorescenza anti-Stokes, porta ad una riduzione della temperatura della fibra. Questo è impegnativo in silice, però, perché l'energia di uno ione itterbio eccitato può saltare a un'impurità nella fibra e rilasciare energia sotto forma di calore attraverso un processo noto come "estinzione della concentrazione". Ancora, Knall e Digonnet lo sapevano, almeno in teoria, dovrebbe esserci una composizione di fibre adatta per il raffreddamento laser in silice.

"La sfida era trovare il materiale che ospitasse quanto più itterbio possibile senza avere l'effetto di tempra, " disse Digonnet. "Quando la concentrazione di itterbio è troppo bassa, il raffreddamento è troppo piccolo. Quando è troppo alto, gli ioni perdono la loro efficienza di raffreddamento. Avevamo bisogno di trovare una composizione di vetro che spingesse l'equilibrio tra questi due effetti opposti verso una maggiore concentrazione".

Innegabilmente utile

Dalla loro prima svolta, i ricercatori hanno trovato altre due composizioni di fibre di silice che si auto-raffreddano, e Knall ha utilizzato il candidato più performante per creare un amplificatore in fibra raffreddato. È stata in grado di amplificare la luce laser di oltre 40 volte mantenendo una variazione di temperatura media negativa lungo la lunghezza della fibra. Considerando che i test di raffreddamento hanno dimostrato che il raffreddamento laser nella silice è possibile, questo amplificatore in fibra dimostra che è innegabilmente utile anche nella pratica.

Proprio adesso, i ricercatori estraggono circa il 4% dell'energia che iniettano nelle fibre. Ciò rende improbabile che le fibre vengano adottate per applicazioni ad alta potenza senza prima aumentare questa bassa efficienza, ma i ricercatori vedono molte opportunità per laser estremamente stabili in applicazioni a bassa potenza, come la metrologia estremamente precisa, o la scienza delle misurazioni.

"Quanto lontano possiamo portare questa tecnologia dipenderà da quanto i ricercatori possono spingere la scienza dei materiali, " ha detto Digonnet. "Questa è solo la punta dell'iceberg."