实现利用纳米粒子来增加功率,同时提高光纤天庄国际登录对眼睛安全性!

来源:海军研究实验室博科园    关键词:纳米粒子, 功率, 光纤天庄国际登录,    发布时间:2019-07-22

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实现利用纳米粒子来增加功率,同时提高光纤天庄国际登录对眼睛安全性!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、对眼睛更安全的天庄国际登录所需的。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天庄国际登录工作在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天庄国际登录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天庄国际登录和放大器。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。