多年來(lái)，研究人員一直在努力尋找能夠在被紅外激光激發(fā)時(shí)冷卻的硅石光纖，但一直沒(méi)有成功。這種光纖將有可能使用最普遍使用的激光光纖類型——二氧化硅——無(wú)需從外部進(jìn)行冷卻，并且從理論上講，可以生產(chǎn)具有異常純凈和穩(wěn)定頻率的基于激光的設(shè)備。
液體和固體的固態(tài)光學(xué)制冷可以通過(guò)一種叫做反斯托克斯熒光的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)在適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行光激發(fā)時(shí)，某些材料會(huì)發(fā)出熒光，其平均能量會(huì)超過(guò)泵浦光子能量，從而以聲子的形式從材料中提取能量，因此在沒(méi)有過(guò)度放熱效應(yīng)的情況下會(huì)冷卻。主要是通過(guò)將三價(jià)稀土摻雜到經(jīng)過(guò)精心選擇的成分的晶體或無(wú)定形主體中而觀察到的，這些成分的設(shè)計(jì)旨在減少有害的放熱機(jī)理，否則該機(jī)理會(huì)掩蓋ASF冷卻。
通過(guò)反斯托克斯熒光機(jī)理，在高度摻雜Yb＋的純化YLiF4晶體中，實(shí)現(xiàn)了首個(gè)兩位數(shù)固態(tài)制冷，溫度低至91K。ASF冷卻對(duì)于基于大功率光纖的激光器和放大器特別有用。通常使用外部冷卻器從這些設(shè)備中散熱，這些冷卻器使空氣或水在激光增益介質(zhì)周圍循環(huán)。冷卻器在激光器中引起熱梯度和振動(dòng)，從而增加噪聲，并降低激光輸出光束的時(shí)間相干性和空間質(zhì)量。替代方法采用基于珀?duì)柼?yīng)的熱電冷卻器。盡管后者通常是無(wú)振動(dòng)的，但它們也會(huì)不對(duì)稱地冷卻光纖，這會(huì)產(chǎn)生不希望的熱梯度。ASF冷卻提供了一種可避免所有這些問(wèn)題的有價(jià)值的解決方案。光學(xué)冷卻的光纖還可以在冷卻的探測(cè)器中產(chǎn)生高影響力的應(yīng)用，以降低熱噪聲，為超穩(wěn)定的激光器提供冷卻的參考腔，減少星載IR和X射線傳感器的暗電流以及點(diǎn)冷卻微電子器件。
圖1. 記錄冷卻結(jié)果
▲抽水≈12分鐘后，晶體溫度（藍(lán)色）達(dá)到91°K，而翻蓋溫度保持在≈265°K
到目前為止，已經(jīng)在亞碲酸鹽玻璃中對(duì)光纖中的ASF冷卻進(jìn)行了簡(jiǎn)短的研究，但是大多數(shù)的演示都是在氟化物主體中進(jìn)行的。據(jù)報(bào)道，放置在真空中的摻Y(jié)b的ZBLANP光纖的溫度變化為-65K，最近在常壓下測(cè)得摻Y(jié)b的ZBLAN光纖的溫度變化為-0.65K。與傳統(tǒng)的二氧化硅相比，氟化物玻璃對(duì)濃度猝滅具有更大的抵抗力，因此可以摻入更高濃度的無(wú)猝滅稀土離子。這轉(zhuǎn)化為更多的離子（熱機(jī)）每單位體積提取熱量，并具有更大的冷卻潛力。
但是，與二氧化硅相比，氟化物的實(shí)際應(yīng)用受到限制。最重要的是，氟化物纖維是通過(guò)熔化粉末并鑄造大塊玻璃制成的，然后從中拉出纖維。這導(dǎo)致雜質(zhì)水平比使用化學(xué)氣相沉積方法制造的石英玻璃高約一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，氟化物玻璃更易碎，并且更難以拋光，切割和接合到其他纖維上。它們還具有較低的光損傷功率閾值，在其中寫入反射光柵更具挑戰(zhàn)性，并且它們的吸收和發(fā)射截面較弱。從技術(shù)角度來(lái)看，開發(fā)能夠進(jìn)行激光冷卻的二氧化硅組合物至關(guān)重要。
在這項(xiàng)工作中評(píng)估的石英纖維被設(shè)計(jì)為具有低損耗，以減輕吸收性加熱，吸收性加熱與泵浦功率成線性比例。另外，由于冷卻隨熱機(jī)數(shù)量的增加而縮放，因此光纖也被設(shè)計(jì)為具有高的Yb濃度。但是，如前所述，這可能會(huì)產(chǎn)生一些不利的副作用，例如增加濃度猝滅和降低非輻射壽命。因此，通過(guò)用氟和氧化鋁（Al2O3）摻雜二氧化硅核，可以減輕這些影響。
圖2. 用于測(cè)量摻Y(jié)b石英纖維中溫度變化的實(shí)驗(yàn)裝置。隨著摻雜光纖和FBG中溫度的變化，在FBG中感應(yīng)的光譜偏移會(huì)被調(diào)諧到FBG共振峰之一的探測(cè)激光器詢問(wèn)。
下圖顯示出了在空氣中的纖維上的示例性溫度測(cè)量。泵（實(shí)心紅色曲線）保持關(guān)閉狀態(tài)20s，然后突然打開40s。穩(wěn)態(tài)溫度變化被視為前20s（通常遠(yuǎn)低于5 mK）的平均溫度變化與后20s（以兩個(gè)灰色區(qū)域表示）的平均溫度變化之間的差。為了獲得圖4所示的每單位長(zhǎng)度的溫度變化與吸收的泵浦功率之間的關(guān)系，使用了一個(gè)熱功率計(jì)來(lái)測(cè)量摻雜光纖輸出端的泵浦功率。將輸出功率與飽和功率、小信號(hào)吸收以及FBG和光纖輸出之間的距離的已知值相結(jié)合，以計(jì)算溫度測(cè)量位置每單位長(zhǎng)度吸收的泵浦功率。
▲圖3. 在1040 nm泵浦的摻Y(jié)b的石英光纖中記錄的溫度變化的時(shí)間軌跡，其中110 mW耦合在光纖纖芯中?；疑糠直硎緸橛?jì)算穩(wěn)態(tài)溫度變化而平均的數(shù)據(jù)部分。
▲圖4. 在三種波長(zhǎng)的測(cè)量位置，纖維溫度對(duì)單位長(zhǎng)度吸收的泵浦功率的依賴性，以及ASF模型的擬合。
自從加州大學(xué)的Jennifer Knall和她的合作者中瑞典大學(xué)的Magnus Engholm、克萊姆森大學(xué)的John Ballato、拉瓦爾大學(xué)的Martin Bernier和Tommy Boilard以及伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的Peter Dragic和Yu Nanjie發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)突破以來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)了另外兩種自冷卻的石英纖維成分，而Knall使用性能最佳的候選材料來(lái)制造冷卻纖維放大器。她能夠?qū)⒓す夥糯?0倍以上，同時(shí)沿光纖的長(zhǎng)度保持負(fù)的平均溫度變化。盡管冷卻測(cè)試證明可以在二氧化硅中進(jìn)行激光冷卻，但這種光纖放大器顯示出在實(shí)踐中也無(wú)可否認(rèn)地有用。
現(xiàn)在，研究人員提取了大約4％的注入纖維的能量。這使得在不首先提高這種低效率的情況下不太可能將光纖用于高功率應(yīng)用，但是研究人員發(fā)現(xiàn)在低功率應(yīng)用中具有極其穩(wěn)定的激光器的許多機(jī)會(huì)，例如極其精確的計(jì)量學(xué)或測(cè)量科學(xué)。
▲圖5. 在三種波長(zhǎng)的測(cè)量位置，測(cè)得的光纖1的溫度變化與泵浦功率的函數(shù)關(guān)系
為了為二氧化硅中的ASF冷卻設(shè)定新的基線，對(duì)性能最佳的纖維（纖維1）進(jìn)行了更全面的表征。對(duì)于另外兩個(gè)泵浦波長(zhǎng)：1020 nm和1040 nm，測(cè)量了溫度變化對(duì)泵浦功率的依賴性。由于這些參數(shù)被約束為在所有泵浦波長(zhǎng)下都具有相同的值，因此包含這些附加數(shù)據(jù)可得出更合適的吸收損耗和臨界猝滅濃度值。不出所料，當(dāng)在1020 nm泵浦時(shí)，光纖會(huì)加熱，而在1040 nm泵浦時(shí)，光纖會(huì)表現(xiàn)出最大的冷卻效果（圖3）。在1020 nm處，泵浦吸收相對(duì)較大，但泵浦與熒光光子之間的平均能量差較小，因此，由于濃度猝滅和吸收損失，所提取的能量不足以抵消加熱。然而，在1040 nm處，泵浦吸收和能量差之間的權(quán)衡接近最佳值，并且在測(cè)量位置，對(duì)于80 mW的泵浦功率，光纖能夠冷卻至-70mK（170 mW / m吸收的泵功率）。這表示每單位長(zhǎng)度的熱量提取量是參考文獻(xiàn)中報(bào)道的兩倍。
▲研究生Jenny Knall站在自冷卻纖維的實(shí)驗(yàn)裝置旁邊。電腦會(huì)顯示光纖溫度隨時(shí)間變化的測(cè)量值-從Knall打開激光泵時(shí)開始出現(xiàn)下降。
Digonnet表示：“我們可以采用這項(xiàng)技術(shù)的程度取決于研究人員可以推動(dòng)材料科學(xué)發(fā)展的程度。這還只是冰山一角?！?/p>
本文來(lái)源：Jennifer Knall et al. Laser cooling in a silica optical fiber at atmospheric pressure, Optics Letters (2020).
參考文獻(xiàn)：S. D. Melgaard, A. R. Albrecht, M. P. Hehlen, and M. Sheik-Bahae, Sci. Rep. 6, 20380 (2016).
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