Sanghera科学家利用纳米粒子制造出更安全有效的强激光

7月18日消息，实现利用纳米粒子来增加功率，同时提高光纤激光器对眼睛安全性！科学家们设计了一种新的方法，可以利用纳米粒子制造出更有效、更安全的强激光。光学材料和器件部门负责人Jas S. Sanghera说：用的是“稀土离子掺杂光纤”，简单地说，这是激光泵送二氧化硅纤维，已经注入了稀土离子钬。据，新工艺已经达到了85%的效率。掺杂只是意味着把稀土离子放入纤维的核心，所有的作用都发生在那里。

这就是新研究创造世界纪录效率的方式，也是我们制造高能量、对眼睛更安全的激光器所需的。根据光学材料与器件分部的化学家科林·贝克的研究，激光激射过程依赖于泵浦源（通常是另一种激光）激发稀土离子，然后稀土离子发射光子，产生高质量的光，以达到理想的激光激射波长。但是，这个过程是有代价的，不是100%有效的，输入的是泵浦能量，而不是想要的波长高质量光，在想要的特定波长下，会产生更高质量的光。但剩余的能量没有转化为激光，而是被浪费掉，转化为热能。

能量的损失最终限制了功率缩放和激光的质量，这使得效率变得尤为重要。在纳米粒子“掺杂剂”的帮助下，可以用2微米波长的激光达到85%效率，这被认为是一个“对眼睛更安全”的波长，而不是传统的1微米波长。当然，对于人眼来说，没有一种激光是安全的。这种危险来自于在激光手术过程中，散射光有可能反射到眼睛里。100千瓦的激光以1微米的速度工作，散射的光会对视网膜造成严重损害，导致失明。然而，在波长超过1.4微米的情况下使用，对眼睛更安全的激光，散射光的危险大大降低。

纳米粒子掺杂还解决了其他几个问题，比如它可以保护硅中的稀土离子。在2微米时，二氧化硅的玻璃状结构可以减少稀土离子的光输出。纳米粒子掺杂还可以将稀土离子彼此分离，这是有帮助的，因为将它们紧密地包裹在一起也可以减少光的输出。使用镱掺杂剂的传统激光器工作在1微米时，几乎不受这些因素的影响。解决方案是一些非常聪明的化学方法，将钬溶解在由黄褐斑、氧化镧或氟化镧组成的纳米粉末中，为稀土离子创造一个合适的晶体环境。利用桶状化学合成这种纳米粉体是降低成本的关键。

Sanghera团队最初为之前的一个项目合成了这种纳米颗粒粉末，其颗粒通常小于20纳米，比人的头发小5000倍。此外，必须能够成功地将这些纳米粉末掺杂到二氧化硅纤维中，其数量足以实现lasing。在光学材料与设备分部，Sanghera科学家团队正在使用一个房间大小的玻璃加工车床，在那里，最终成为纤维的玻璃将被氟气体净化，用吹塑火炬成型，并注入纳米颗粒混合物——科学家们称之为“纳米颗粒浆液”。其结果是一种稀土离子掺杂的一英寸直径的玻璃棒，或“光学预制件”。

科学家们使用了一个纤维拉制系统（一个巨大的塔，它占据了两个大房间和两层楼的高度）用熔炉软化预制体，并拉长它，这个过程类似于把太妃糖拉制成一根头发那么细的光纤，然后缠绕在一个大纺锤上。Sanghera团队已经为这一过程提交了专利申请，为这种新型特种光纤激光器设想的潜在应用包括用于国防、电信、甚至焊接和激光切割的大功率激光器和放大器。从根本上看，整个过程在商业上是可行的，这是一个低成本的过程，使粉末，并纳入到纤维，这一过程与制造电信光纤非常相似。