Los investigadores han trabajado duro durante años, sin éxito, en busca de una fibra óptica de sílice que se enfríe cuando se excite con luz láser infrarroja. Tal fibra permitiría utilizar el tipo de fibra láser más ubicua, la sílice, sin tener que enfriarla externamente y, teóricamente, producir dispositivos basados ​​en láser con frecuencias excepcionalmente puras y estables.

"En lugar de eliminar el calor del láser, que requiere algo de trabajo, simplemente no generas el calor en primer lugar, "dijo Michel Digonnet, quien es profesor investigador de física aplicada en la Facultad de Humanidades y Ciencias de la Universidad de Stanford.

Se podría utilizar un láser de autoenfriamiento, por ejemplo, para crear amplificadores de fibra avanzados:dispositivos que amplifican las señales de luz que viajan a través de ellos y son fundamentales para transportar información codificada en señales ópticas a distancias muy largas. En la actualidad, este proceso genera calor que degrada la calidad de la señal luminosa; el uso de una fibra autorefrigerada eliminaría este problema.

Pero encontrar la composición de sílice correcta ha resultado difícil de alcanzar hasta el punto en que algunos expertos pensaban que lograr este objetivo era muy poco probable. si no imposible. Las expectativas generalmente bajas de encontrar alguna vez esta fibra le habían dado a la estudiante graduada de Stanford Jennifer Knall suficientes dudas, que cuando finalmente presenció los primeros signos de autoenfriamiento en sus experimentos con fibra de sílice, volvió a hacer las pruebas. Y otra vez. Y otra vez.

"Secretamente, Casi había perdido la esperanza "dijo Knall, quien es un estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica. "Pero la teoría era sólida, y teníamos colaboradores realmente increíbles que estaban dispuestos a escucharnos y seguir haciendo fibras ópticas. Así que seguí probando ".

La primera fibra

La confirmación llegó tarde en la noche. Después de algunas pruebas con fibras de sílice que no demostraron ningún enfriamiento cuando se bombearon con luz láser, Knall decidió repetir el experimento utilizando luz con menor energía. La diferencia de energía era muy pequeña, pero cambió todo. Cuando el gráfico de medición de temperatura se cargó en su pantalla, hubo un chapuzón.

"Pensé, "No hay forma." No quería hacerme ilusiones porque podrían haber sido fluctuaciones engañosas en las mediciones del sensor de temperatura, "dijo Knall.

Entonces, ella rehizo la medida. Seis veces más. El chapuzón fue consistente, y Knall se convirtió en la primera persona en presenciar una fibra óptica de sílice que se enfrió, no más caliente, cuando se excita con la luz. Inmediatamente se puso en contacto con sus colaboradores:Magnus Engholm de la Universidad Mid Sweden, John Ballato en la Universidad de Clemson, Martin Bernier y Tommy Boilard en Université Laval, y Peter Dragic y Nanjie Yu en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, para anunciar el resultado sobresaliente de varios años de investigación colaborativa. "Envié un correo electrónico a todos en mayúsculas:LO HACEMOS".

La temperatura de un láser de fibra de sílice autorrefrigerante no fluctúa, por lo que la frecuencia y la potencia de la luz que emiten son más estables en el tiempo que los láseres con enfriamiento externo. Esto da como resultado una emisión de un color más uniforme, o longitud de onda, de luz.

"De repente, esta maravillosa idea se aplica al material láser más común en forma de fibra, que no pensamos que fuera posible hace seis meses, "Dijo Digonnet.

Digonnet y Knall fueron autores principales y autores principales, respectivamente, de un papel en Letras de óptica que anunció su avance en febrero de 2020, seguido de cerca por otro papel, publicado el pasado mes de junio en la misma revista, que exploraron formas de mejorar su propio trabajo y reportaron un nuevo récord de enfriamiento. También han integrado recientemente la fibra de sílice en un amplificador láser. A la larga, Digonnet y Knall también necesitan descubrir cómo el amplificador láser puede funcionar de manera más eficiente para que pueda usarse para aplicaciones láser de alta potencia a gran escala.

En el corto plazo, esta fibra podría resultar extremadamente valiosa para aplicaciones científicas de baja potencia destinadas a recopilar mediciones de alta precisión de parámetros físicos como la aceleración, ondas acústicas o tensión.

Manteniéndolo fresco

Para apreciar la importancia de este avance, hay que comprender algunos hechos sencillos sobre los láseres. Los láseres son especiales por la intensidad y monocromaticidad de la luz que producen. Los láseres de fibra son fibras que convierten caótica, "bombea" luz espectralmente amplia hacia luz monocromática de alta pureza. Pero en el proceso de producir luz láser, láseres de fibra, como todos los láseres, calentar de formas indeseables. Este problema se resuelve actualmente agregando bulky, sistemas de refrigeración a base de agua, que producen otros efectos perjudiciales. Una fibra de sílice que se puede autoenfriar da como resultado una luz láser más limpia.

Esta forma de enfriamiento ocurre cuando un ion de tierras raras agregado a la fibra (como el iterbio) absorbe luz de baja energía y luego emite luz a un nivel de energía ligeramente más alto. Este proceso, conocido como fluorescencia anti-Stokes, conduce a una reducción de la temperatura de la fibra. Esto es un desafío en sílice, sin embargo, porque la energía de un ion de iterbio excitado puede saltar a una impureza en la fibra y liberar energía en forma de calor a través de un proceso conocido como "extinción de la concentración". Todavía, Knall y Digonnet lo sabían, teóricamente al menos, debe haber una composición de fibras adecuada para el enfriamiento por láser en sílice.

"El desafío era encontrar el material que pudiera contener tanto iterbio como fuera posible sin tener el efecto de extinción, "dijo Digonnet." Cuando la concentración de iterbio es demasiado baja, el enfriamiento es demasiado pequeño. Cuando es demasiado alto los iones pierden su eficiencia de enfriamiento. Necesitábamos encontrar una composición de vidrio que empujara el equilibrio entre estos dos efectos opuestos hacia una mayor concentración ".

Indudablemente útil

Desde su primer avance, los investigadores han encontrado dos composiciones más de fibra de sílice que se autoenfrían, y Knall ha utilizado el candidato con mejor rendimiento para crear un amplificador de fibra refrigerado. Ha podido amplificar la luz láser más de 40 veces mientras mantiene un cambio de temperatura promedio negativo a lo largo de la fibra. Mientras que las pruebas de enfriamiento demostraron que el enfriamiento por láser en sílice es posible, este amplificador de fibra muestra que también es innegablemente útil en la práctica.

Ahora, los investigadores extraen alrededor del 4 por ciento de la energía que inyectan en las fibras. Esto hace que sea poco probable que las fibras se adopten para aplicaciones de alta potencia sin aumentar primero esta baja eficiencia. pero los investigadores ven muchas oportunidades para láseres extremadamente estables en aplicaciones de baja potencia, como la metrología extremadamente precisa, o la ciencia de las medidas.

"Hasta dónde podamos llevar esta tecnología dependerá de cuánto puedan los investigadores impulsar la ciencia de los materiales, ", dijo Digonnet." Esto es sólo la punta del iceberg ".