Tecnologia Científica

Pesquisadores de Stanford desenvolvem o primeiro laser de resfriamento automático feito com fibra de sílica
Uma equipe de pesquisadores desenvolveu a primeira fibra ótica de resfriamento automático feita de sílica para aplicações de laser e rapidamente a desenvolveram em um amplificador de laser - um passo crítico para o uso no mundo real.
Por Taylor Kubota - 18/03/2021

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

A estudante de graduação Jenny Knall em pé ao lado da configuração experimental
da fibra de resfriamento automático. O computador mostra as medições da
mudança de temperatura da fibra ao longo do tempo - com uma queda
começando no momento em que Knall ligou a bomba de laser.
(Crédito da imagem: Pierre Baptiste Vigneron)

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

Um laser de resfriamento automático poderia ser usado, por exemplo, para criar amplificadores de fibra avançados - dispositivos que amplificam os sinais de luz que viajam através deles e são instrumentais no transporte de informações codificadas em sinais ópticos 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 sílica certa provou ser difícil a ponto de alguns especialistas pensarem que atingir esse objetivo era altamente improvável, senão impossível. As expectativas geralmente baixas de encontrar essa fibra deram à estudante de graduação de Stanford Jennifer Knall dúvidas suficientes, que quando ela finalmente testemunhou os primeiros sinais de resfriamento automático em seus experimentos com fibra de sílica, ela fez os testes novamente. E de novo. E de novo.

“Secretamente, eu quase perdi as esperanças”, disse Knall, que é estudante de graduação em engenharia elétrica. “Mas a teoria era sólida e tínhamos colaboradores realmente incríveis que estavam dispostos a nos ouvir e continuar fabricando fibras ópticas. Então continuei testando. ”

A primeira fibra

A confirmação veio tarde da noite. Após alguns testes com fibras de sílica 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 gráfico de medição de temperatura foi carregado em sua tela, houve uma queda.

“Eu pensei: 'Não há como.' 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 óptica de sílica 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 Université Laval, 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 maiúsculas: NÓS FIZEMOS.”

A temperatura de um laser de fibra de sílica com resfriamento automático não flutua, então a frequência e a potência da luz que eles emitem são mais estáveis ​​ao longo do tempo do que os lasers com resfriamento externo. Isso resulta em uma emissão que é uma cor ou comprimento de onda de luz mais consistente.

“De repente, essa ideia maravilhosa é aplicável ao material de laser mais comum em forma de fibra, o que não achávamos ser possível há seis meses”, disse Digonnet.

Digonnet e Knall foram autores sênior 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 próprio trabalho e relatando um novo recorde de resfriamento. Eles também integraram recentemente a fibra de sílica 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 potência em grande escala.

A curto prazo, essa fibra pode ser extremamente valiosa para aplicações científicas de baixo consumo voltadas para a coleta de medições de alta precisão de parâmetros físicos, como aceleração, ondas acústicas ou deformação.

Mantendo a calma

Para avaliar a importância dessa descoberta, é preciso 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 caótica e espectralmente ampla de “bombeamento” em luz monocromática 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 é resolvido com a adição de sistemas de resfriamento volumosos à base de água, que produzem outros efeitos prejudiciais. Uma fibra de sílica que resfria automaticamente resulta em uma luz laser mais limpa.

Essa forma de resfriamento ocorre quando um íon de terra rara adicionado à fibra (como o itérbio) absorve luz de baixa energia e emite luz com um nível de energia ligeiramente mais alto. Esse processo, conhecido como fluorescência anti-Stokes, leva à redução da temperatura da fibra. Isso é um desafio na sílica, no entanto, porque a energia de um íon de itérbio 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 sílica.

“O desafio era encontrar o material que hospedasse o máximo de itérbio possível sem ter o efeito de têmpera”, disse Digonnet. “Quando a concentração de itérbio é muito baixa, o resfriamento é muito pequeno. Quando está muito alto, os íons perdem sua eficiência de resfriamento. Precisávamos encontrar uma composição de vidro que empurrasse o equilíbrio entre esses dois efeitos opostos em direção a uma concentração mais alta. ”

Inegavelmente útil

Desde sua primeira descoberta, os pesquisadores encontraram mais duas composições de fibra de sílica 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 sílica é possível, este amplificador de fibra mostra que ele também é inegavelmente útil na prática.

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

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

 

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