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

"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 professor pesquisador de física aplicada na Escola de Humanidades e Ciências da Universidade de Stanford.

Um laser de resfriamento automático pode ser usado, por exemplo, para criar amplificadores de fibra avançados - dispositivos que amplificam sinais de luz que viajam através deles e são instrumentais no transporte de informações codificadas em sinais ópticos em distâncias muito longas. Atualmente, este processo gera calor que degrada a qualidade do sinal luminoso; usar uma fibra auto-resfriada eliminaria esse problema.

Mas encontrar a composição certa de sílica provou ser difícil a ponto de alguns especialistas pensarem que atingir esse objetivo era altamente improvável, se não 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 tivemos colaboradores realmente incríveis que estavam dispostos a nos ouvir e continuar fazendo fibras ópticas. Então continuei testando. "

A primeira fibra

A confirmação veio tarde da noite. Depois de alguns testes usando fibras de sílica que não conseguiram demonstrar qualquer resfriamento quando bombeadas com luz laser, Knall decidiu repetir o experimento usando luz com menos energia. A diferença de energia era muito pequena, mas mudou tudo. Quando o gráfico de medição de temperatura carregado em sua tela, houve um mergulho.

"Eu pensei, "Não tem jeito." 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 esfriou, não mais quente, quando excitado pela luz. Ela imediatamente contatou seus colaboradores - Magnus Engholm na Mid Sweden University, John Ballato da Clemson University, Martin Bernier e Tommy Boilard na Université Laval, e Peter Dragic e Nanjie Yu da Universidade de 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, portanto, 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 com uma cor mais consistente, ou comprimento de onda, de luz.

"De repente, essa ideia maravilhosa é aplicável ao material de laser mais comum em forma de fibra, que não pensamos que fosse possível há seis meses, "Digonnet disse.

Digonnet e Knall foram autores sênior e principais autores, respectivamente, de um papel em Cartas de Óptica que anunciou sua descoberta em fevereiro de 2020, seguido de perto por outro jornal, publicado em junho passado na mesma revista, que explorou maneiras de melhorar seu próprio trabalho e relatar um novo recorde de resfriamento. Eles também integraram recentemente a fibra de sílica em um amplificador de laser. A longo prazo, Digonnet e Knall também precisam descobrir como o amplificador de laser pode funcionar com mais eficiência para que possa ser usado em aplicações de laser de alta potência em grande escala.

No curto prazo, esta fibra pode ser extremamente valiosa para aplicações científicas de baixo consumo destinadas a reunir medições de alta precisão de parâmetros físicos, como aceleração, ondas acústicas ou tensão.

Mantendo a calma

Para apreciar a importância desta descoberta, é preciso entender alguns fatos simples sobre lasers. Os lasers são especiais pela intensidade e monocromaticidade da luz que produzem. Lasers baseados em fibra são fibras que convertem caóticas, espectralmente ampla "bombeia" luz em luz monocromática de alta pureza. Mas no processo de produção de luz laser, lasers baseados em fibra, como todos os lasers, aquecer de maneiras indesejáveis. Atualmente, esse problema é resolvido com a adição de volumosos, sistemas de refrigeração 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. Este processo, conhecido como fluorescência anti-Stokes, leva a uma redução na temperatura da fibra. Isso é um desafio na sílica, Contudo, porque a energia de um íon de itérbio excitado pode saltar para uma impureza na fibra e liberar energia na forma de calor por meio de um processo conhecido como "extinção de concentração". Ainda, Knall e Digonnet sabiam disso, teoricamente, pelo menos, deve 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 descobriram 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. Considerando que os testes de resfriamento provaram que o resfriamento a laser em sílica é possível, este amplificador de fibra mostra que também é inegavelmente útil na prática.

Agora mesmo, 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 esta 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 esta tecnologia vai depender de quanto os pesquisadores podem empurrar a ciência dos materiais, "disse Digonnet." Esta é apenas a ponta do iceberg. "