Gli scienziati del Naval Research Laboratory degli Stati Uniti hanno ideato un nuovo processo per utilizzare le nanoparticelle per costruire potenti laser più efficienti e sicuri per i tuoi occhi.

Lo fanno con quella che viene chiamata "fibra drogata con ioni di terre rare". In poche parole, è la luce laser che pompa una fibra di silice che è stata infusa con ioni di terre rare di olmio. Secondo Jas S. Sanghera, che dirige il ramo Materiali e dispositivi ottici, hanno raggiunto un'efficienza dell'85% con il loro nuovo processo.

"Doping significa solo che stiamo mettendo ioni di terre rare nel nucleo della fibra, che è dove avviene tutta l'azione, " ha spiegato Sanghera. "Così abbiamo prodotto questo record mondiale di efficienza, ed è ciò di cui abbiamo bisogno per un'alta energia, laser più sicuro per gli occhi."

Secondo Colin Baker, chimico di ricerca con il ramo dei materiali e dei dispositivi ottici, il processo laser si basa su una sorgente di pompa, il più delle volte un altro laser, che eccita gli ioni delle terre rare, che poi emettono fotoni per produrre una luce di alta qualità per il laser alla lunghezza d'onda desiderata.

"Ma questo processo ha una penalità, " Baker ha detto. "Non è mai efficiente al 100%. Quello che stai mettendo è l'energia della pompa, non la luce di alta qualità alla lunghezza d'onda desiderata. Quello che sta venendo fuori è una qualità della luce molto più alta alla lunghezza d'onda specifica che vuoi, ma l'energia rimanente che non viene convertita in luce laser viene sprecata e convertita in calore."

Quella perdita di energia, Baker ha detto, in ultima analisi, limita il ridimensionamento della potenza e la qualità della luce laser, che rende particolarmente importante l'efficienza.

Con l'aiuto di un drogante di nanoparticelle, ' sono in grado di raggiungere il livello di efficienza dell'85% con un laser che opera a una lunghezza d'onda di 2 micron, che è considerata una lunghezza d'onda "più sicura per gli occhi", piuttosto che il tradizionale 1 micron. Certo, Baker ha sottolineato, nessun laser può dirsi sicuro quando si tratta dell'occhio umano.

Il pericolo deriva dalla possibilità che la luce diffusa venga riflessa nell'occhio durante l'operazione di un laser. La luce diffusa dal percorso di un laser da 100 kilowatt che opera a 1 micron può causare danni significativi alla retina, portando alla cecità. Con un laser più sicuro per gli occhi, operato a lunghezze d'onda superiori a 1,4 micron, però, il pericolo della luce diffusa è notevolmente ridotto.

Secondo Baker, il drogaggio delle nanoparticelle risolve anche diversi altri problemi, come quello che protegge gli ioni delle terre rare dalla silice. A 2 micron, la struttura vetrosa della silice può ridurre l'emissione di luce dagli ioni di terre rare. Il drogaggio delle nanoparticelle separa anche gli ioni delle terre rare l'uno dall'altro, il che è utile poiché imballarli strettamente insieme può anche ridurre l'emissione di luce.

Laser tradizionali che operano a 1 micron, usando un drogante di itterbio, non sono così influenzati da questi fattori, ha detto il panettiere.

"La soluzione è stata una chimica molto intelligente che ha sciolto l'olmio in una nanopolvere di lutezia o ossido di lantanio o fluoruro di lantanio per creare un ambiente cristallino adatto [per gli ioni delle terre rare], " Ha detto Sanghera. "Usare la chimica del secchio per sintetizzare questa nano-polvere è stata la chiave per contenere i costi".

Le particelle della polvere di nanoparticelle, che il team di Sanghera aveva originariamente sintetizzato per un precedente progetto, sono tipicamente inferiori a 20 nanometri, che è 5, 000 volte più piccolo di un capello umano.

"Inoltre, dovevamo essere in grado di drogare con successo queste nanopolveri nella fibra di silice in quantità che sarebbero state adatte per ottenere il laser, " Ha aggiunto.

Presso la filiale di materiali e dispositivi ottici, Il team di scienziati di Sanghera sta lavorando con una stanza grande, tornio per la lavorazione del vetro, dove il vetro che alla fine diventerà la fibra viene pulito con gas di fluoro, modellato con un cannello e infuso con la miscela di nanoparticelle, ciò che gli scienziati chiamano "impasto di nanoparticelle". Il risultato è un drogato con ioni di terre rare, bacchetta di vetro del diametro di un pollice, o "preforma ottica".

Porta accanto, gli scienziati usano un sistema di trazione in fibra, una torre così massiccia da occupare due grandi stanze e l'altezza di due piani dell'edificio, per ammorbidire la preforma con una fornace e allungarla, in un processo simile a tirare taffy, in una fibra ottica sottile come un capello umano, che poi si avvolge su un grande fuso vicino.

Il team di Sanghera ha già presentato una domanda di brevetto per il processo. Tra le potenziali applicazioni che prevedono per la nuova specialità laser in fibra ci sono laser ad alta potenza e amplificatori per la difesa, telecomunicazioni e persino saldatura e taglio laser.

"Da un punto di vista fondamentale, l'intero processo è commercialmente fattibile, " Ha detto Sanghera. "È un processo a basso costo per fare la polvere e incorporarla nella fibra. Il processo è molto simile alla produzione della fibra per telecomunicazioni".