Os pesquisadores trabalharam durante anos, sem sucesso, em busca de uma fibra a³ptica de sa­lica que resfriasse quando excitada com luz laser infravermelha. Essa fibra permitiria usar o tipo mais onipresente de fibra laser - a sa­lica - sem ter que resfria¡-la externamente e, teoricamente, produzir dispositivos baseados em laser com frequências excepcionalmente puras e esta¡veis.

“Em vez de remover o calor do laser, o que leva algum tempo, vocêsimplesmente não gera o calor em primeiro lugar”, disse Michel Digonnet , que éum professor pesquisador de física aplicada na Escola de Humanidades e Ciências de Stanford Universidade.

Um laser de resfriamento automa¡tico poderia ser usado, por exemplo, para criar amplificadores de fibra avana§ados - dispositivos que amplificam os sinais de luz que viajam atravanãs deles e são instrumentais no transporte de informações codificadas em sinais a³pticos em distâncias muito longas. Atualmente, esse processo gera calor que degrada a qualidade do sinal luminoso; usar uma fibra autoresfriada eliminaria esse problema.

Mas encontrar a composição de sa­lica certa provou ser difa­cil a ponto de alguns especialistas pensarem que atingir esse objetivo era altamente improva¡vel, senão impossí­vel. As expectativas geralmente baixas de encontrar essa fibra deram a  estudante de graduação de Stanford Jennifer Knall daºvidas suficientes, que quando ela finalmente testemunhou os primeiros sinais de resfriamento automa¡tico em seus experimentos com fibra de sa­lica, ela fez os testes novamente. E de novo. E de novo.

“Secretamente, eu quase perdi as esperanças”, disse Knall, que éestudante de graduação em engenharia elanãtrica. “Mas a teoria era sãolida e ta­nhamos colaboradores realmente incra­veis que estavam dispostos a nos ouvir e continuar fabricando fibras a³pticas. Então continuei testando. ”

A confirmação veio tarde da noite. Apa³s alguns testes com fibras de sa­lica que não conseguiram demonstrar qualquer resfriamento quando bombeadas com luz laser, Knall decidiu repetir o experimento usando luz com uma energia mais baixa. A diferença de energia era muito pequena, mas mudou tudo. Quando o gra¡fico de medição de temperatura foi carregado em sua tela, houve uma queda.

“Eu pensei: 'Nãohácomo.' Eu não queria ter muitas esperanças, porque poderia ter sido flutuações enganosas nas medições do sensor de temperatura ”, disse Knall.

Então, ela refez a medição. Mais seis vezes. O mergulho foi consistente, e Knall se tornou a primeira pessoa a testemunhar uma fibra a³ptica de sa­lica que ficava mais fria, não mais quente, quando excitada pela luz. Ela imediatamente contatou seus colaboradores - Magnus Engholm na Mid Sweden University, John Ballato na Clemson University, Martin Bernier e Tommy Boilard na UniversitéLaval, e Peter Dragic e Nanjie Yu na University of Illinois Urbana-Champaign - para anunciar o excelente resultado de vários anos de pesquisa colaborativa. “Enviei um e-mail a todos em maiaºsculas: Na“S FIZEMOS.”

A temperatura de um laser de fibra de sa­lica com resfriamento automa¡tico não flutua, então a frequência e a potaªncia da luz que eles emitem são mais esta¡veis ​​ao longo do tempo do que os lasers com resfriamento externo. Isso resulta em uma emissão que éuma cor ou comprimento de onda de luz mais consistente.

“De repente, essa ideia maravilhosa éaplica¡vel ao material de laser mais comum em forma de fibra, o que não acha¡vamos ser possí­vel háseis meses”, disse Digonnet.

Digonnet e Knall foram autores saªnior e principais autores, respectivamente, de um artigo na Optics Letters que anunciou sua descoberta em fevereiro de 2020, seguido de perto por outro artigo , publicado em junho passado na mesma revista, que explorou maneiras de melhorar seu pra³prio trabalho e relatando um novo recorde de resfriamento. Eles também integraram recentemente a fibra de sa­lica em um amplificador de laser. No longo prazo, Digonnet e Knall também precisam descobrir como o amplificador de laser pode funcionar de forma mais eficiente para que possa ser usado para aplicações de laser de alta potaªncia em grande escala.

A curto prazo, essa fibra pode ser extremamente valiosa para aplicações cienta­ficas de baixo consumo voltadas para a coleta de medições de alta precisão de parametros fa­sicos, como aceleração, ondas acaºsticas ou deformação.

Para avaliar a importa¢ncia dessa descoberta, épreciso entender alguns fatos simples sobre os lasers. Os lasers são especiais pela intensidade e monocromaticidade da luz que produzem. Lasers baseados em fibra são fibras que convertem luz caa³tica e espectralmente ampla de “bombeamento” em luz monocroma¡tica de alta pureza. Mas, no processo de produção de luz laser, os lasers baseados em fibra, como todos os lasers, aquecem de maneiras indesejáveis. Atualmente, esse problema éresolvido com a adição de sistemas de resfriamento volumosos a  base de a¡gua, que produzem outros efeitos prejudiciais. Uma fibra de sa­lica que resfria automaticamente resulta em uma luz laser mais limpa.

Essa forma de resfriamento ocorre quando um a­on de terra rara adicionado a  fibra (como o itanãrbio) absorve luz de baixa energia e emite luz com umnívelde energia ligeiramente mais alto. Esse processo, conhecido como fluorescaªncia anti-Stokes, leva a  redução da temperatura da fibra. Isso éum desafio na sa­lica, no entanto, porque a energia de um a­on de itanãrbio excitado pode saltar para uma impureza na fibra e liberar energia como calor por meio de um processo conhecido como "extinção de concentração". Ainda assim, Knall e Digonnet sabiam que, pelo menos teoricamente, deveria haver uma composição de fibra adequada para resfriamento a laser em sa­lica.

“O desafio era encontrar o material que hospedasse o ma¡ximo de itanãrbio possí­vel sem ter o efeito de tempera”, disse Digonnet. “Quando a concentração de itanãrbio émuito baixa, o resfriamento émuito pequeno. Quando estãomuito alto, os a­ons perdem sua eficiência de resfriamento. Precisa¡vamos encontrar uma composição de vidro que empurrasse o equila­brio entre esses dois efeitos opostos em direção a uma concentração mais alta. ”

Desde sua primeira descoberta, os pesquisadores encontraram mais duas composições de fibra de sa­lica que resfriam automaticamente, e Knall usou o candidato de melhor desempenho para criar um amplificador de fibra resfriado. Ela foi capaz de amplificar a luz do laser em mais de 40 vezes, mantendo uma mudança de temperatura média negativa ao longo do comprimento da fibra. Enquanto os testes de resfriamento provaram que o resfriamento a laser em sa­lica épossí­vel, este amplificador de fibra mostra que ele também éinegavelmente útil na prática .

No momento, os pesquisadores extraem cerca de 4% da energia que injetam nas fibras. Isso torna improva¡vel que as fibras sejam adotadas para aplicações de alta potaªncia sem primeiro aumentar essa baixa eficiência, mas os pesquisadores veem muitas oportunidades para lasers extremamente esta¡veis ​​em aplicações de baixa potaªncia, como metrologia extremamente precisa ou a ciência das medições.

“Atéonde podemos levar essa tecnologia vai depender de quanto os pesquisadores podem empurrar a ciência dos materiais”, disse Digonnet. “Esta éapenas a ponta do iceberg.”