作者:斯坦福大学泰勒·久保田 研究生珍妮·克诺尔站在自冷光纤实验装置旁边
计算机显示了光纤温度随时间变化的测量结果——从克诺尔开启激光泵的时间开始下降
荣誉:皮埃尔·巴蒂斯特·维格纳隆 研究人员多年来一直在努力寻找一种二氧化硅光纤，这种光纤在受到红外激光激发时会自行冷却，但没有成功
这种光纤可以使用最普遍的激光光纤——二氧化硅——而无需外部冷却，理论上，可以生产出频率特别纯净和稳定的激光器件
斯坦福大学人文科学学院的应用物理学研究教授米歇尔·迪冈奈说:“激光需要一些时间才能消除热量，但你首先不会产生热量。”
例如，自冷却激光器可以用来制造先进的光纤放大器——这种器件可以放大通过它们的光信号，并有助于在很长的距离内传输编码在光信号上的信息
目前，这个过程会产生热量，降低光信号的质量；使用自冷却光纤可以消除这个问题
但是找到合适的二氧化硅成分已经被证明是难以实现的，以至于一些专家认为实现这个目标是非常不可能的，如果不是不可能的话
人们对找到这种纤维的期望普遍较低，这让斯坦福大学的研究生珍妮弗·克诺尔产生了足够的怀疑，当她终于在自己的石英纤维实验中看到了自我冷却的最初迹象时，她再次进行了测试
再次
再次
“私下里，我几乎已经放弃了希望，”电气工程研究生克诺尔说
“但这个理论是可靠的，我们有非常了不起的合作者，他们愿意听我们的话，继续制造光纤
所以我继续测试
" 第一根纤维 确认是在深夜到来的
在用二氧化硅纤维做了几次试验，证明用激光泵浦时没有冷却后，克诺尔决定用能量较低的光重复这个实验
能量上的差别很小，但它改变了一切
当温度测量图加载到她的屏幕上时，温度有所下降
”我想，“不可能
“我不想抱太大希望，因为这可能会误导温度传感器的测量波动，”克诺尔说
所以，她重新测量了
六次以上
倾角是一致的，克诺尔成为第一个见证石英光纤在光的激励下变冷而不是变热的人
她立即联系了他们的合作者——瑞典中部大学的马格努斯·恩霍尔姆、克莱姆森大学的约翰·巴拉托、拉瓦尔大学的马丁·伯尼尔和汤米·布瓦拉德、伊利诺伊大学香槟分校的彼得·德拉吉奇和南杰·于——宣布了几年合作研究的杰出成果
“我给所有人发了一封电子邮件:我们做到了
" 自冷却石英光纤激光器的温度不会波动，因此它们发射的光的频率和功率比外部冷却的激光器更稳定
这导致发射的光的颜色或波长更加一致
“突然间，这个奇妙的想法适用于最常见的光纤形式的激光材料，这在六个月前我们认为是不可能的，”迪冈奈说
迪冈奈和克诺尔分别是《光学快报》的资深作者和主要作者，他们在2020年2月宣布了他们的突破，紧随其后的是去年6月在同一期刊上发表的另一篇论文，该论文探索了改进自己工作的方法，并报告了一项新的冷却记录
他们最近还将石英光纤集成到激光放大器中
从长远来看，迪冈奈和克诺尔还需要弄清楚激光放大器如何才能更有效地运行，以便将其用于大规模高功率激光应用
在不久的将来，这种光纤将被证明对低功耗科学应用非常有价值，这些应用旨在收集高精度的物理参数测量值，如加速度、声波或应变
保持凉爽 为了理解这一突破的意义，我们必须了解一些关于激光的简单事实
激光因其产生的光的强度和单色性而特别
基于光纤的激光器是将混沌的、光谱宽的“泵”光转换成高纯度单色光的光纤
但是在产生激光的过程中，光纤激光器像所有激光器一样，会以不希望的方式升温
这个问题目前通过增加体积庞大的水基冷却系统来解决，这产生了其他不利影响
能够自冷却的二氧化硅纤维会产生更清晰的激光
当添加到光纤中的稀土离子(如镱)吸收低能光，然后以稍高的能级发光时，就会发生这种形式的冷却
这个过程被称为反斯托克斯荧光，导致光纤温度降低
然而，这在二氧化硅中是具有挑战性的，因为来自被激发的镱离子的能量可以跳跃到纤维中的杂质，并通过被称为“浓度猝灭”的过程以热的形式释放能量
尽管如此，Knall和Digonnet知道，至少在理论上，应该有一种合适的光纤成分用于二氧化硅的激光冷却
迪冈内说:“我们面临的挑战是找到一种能容纳尽可能多的镱而又不会产生猝灭效应的材料。”
“当镱的浓度太低时，冷却太小
当温度过高时，离子会失去冷却效率
我们需要找到一种玻璃成分，将这两种相反的效应推向更高的浓度
" 不可否认的有用 自从他们的第一次突破以来，研究人员又发现了两种自冷却的二氧化硅纤维组合物，克诺尔用性能最好的候选材料制造了一种冷却的纤维放大器
她能够将激光放大40倍以上，同时保持沿光纤长度方向的负平均温度变化
尽管冷却测试证明在二氧化硅中进行激光冷却是可能的，但是这种光纤放大器表明它在实践中也是不可否认的有用的
现在，研究人员提取了他们注入纤维的能量的大约4%
这使得在不首先提高低效率的情况下，光纤不太可能被用于高功率应用，但是研究人员看到了在低功率应用中使用极其稳定的激光器的许多机会，例如极其精确的计量或测量科学
“我们能在这项技术上走多远，将取决于研究人员能推动材料科学多少，”迪冈奈说
“这只是冰山一角
"
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