محققان از نانو ذرات برای افزایش قدرت ، بهبود ایمنی چشم لیزرهای فیبر استفاده می کنند

واشنگتن، 29 مه سال 2020 / PRNewswire / – دانشمندان آزمایشگاه تحقیقات نیروی دریایی ایالات متحده روند جدیدی را برای استفاده از نانو ذرات برای ساخت لیزرهای قدرتمند ابداع کرده و برای چشم شما کارآمدتر ساخته اند.

آنها این کار را با آن انجام می دهند که “فیبر نادر از یون-پرشده از زمین” است. به عبارت ساده ، این لیزر است که فیبر سیلیسی را که با یون های کمیاب هلمیوم تزریق شده است ، پمپ می کند. مطابق با Jas S. Sangheraآنها ، رئیس شعبه مواد و دستگاه های نوری ، آنها با روند جدید خود به 85 درصد بازده رسیده اند.

سانگرا توضیح داد: “دوپینگ فقط به این معنی است که یونهای نادر خاکی را درون هسته فیبر قرار می دهیم ، جایی که همه اقدامات اتفاق می افتد.” “به این ترتیب ما این راندمان جهانی را تولید کردیم ، و این همان چیزی است که ما به یک لیزر با انرژی بالا و ایمن به چشم نیاز داریم.”

مطابق با کالین بیکر، شیمیدان تحقیقات با شعبه مواد و دستگاههای نوری ، فرایند لیزینگ به منبع پمپ – که اکثر اوقات لیزر دیگری است – متکی است که یون های کمیاب زمین را تحریک می کند ، و سپس فوتون ها را منتشر می کنند تا یک نور با کیفیت بالا برای لیزینگ در طول موج مورد نظر تولید کند.

بیکر گفت: “اما این روند مجازات دارد.” “این هرگز 100 درصد کارآمد نیست. آنچه شما وارد می کنید انرژی پمپ است ، نه نور باکیفیت در طول موج مورد نظر شما. آنچه که می آید ، کیفیت بسیار بالایی از نور در طول موج مشخصی است که شما می خواهید ، اما انرژی باقیمانده که به نور لیزر تبدیل نمی شود هدر می رود و به گرما تبدیل می شود. “

بیکر گفت ، این از دست دادن انرژی در نهایت مقیاس بندی توان و کیفیت نور لیزر را محدود می کند ، که باعث می شود بهره وری از اهمیت ویژه ای برخوردار باشد.

آنها با کمک یک ذرات نانوذرات ‘dopant’ قادر به دستیابی به سطح 85٪ کارآیی با لیزری هستند که در طول موج 2 میکرون کار می کنند ، که به جای سنتی از طول موج “ایمن تر” محسوب می شود. 1 میکرون البته ، بیکر خاطرنشان کرد: هیچ یک از لیزرها وقتی به چشم انسان می رسد ایمن نیست.

این خطر از پتانسیل نور پراکنده ناشی می شود که هنگام عمل لیزر به چشم منعکس می شود. نور پراکنده از مسیر لیزر 100 کیلوواتی که در 1 میکرون کار می کند ، می تواند باعث آسیب قابل توجهی به شبکیه شود و منجر به کوری شود. با وجود لیزر چشم ایمن تر ، در طول موج های فراتر از 1.4 میکرون عمل می کند ، با این حال ، خطر ناشی از نور پراکنده به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

به گفته بیکر ، دوپینگ ذرات نانو نیز چندین مشکل دیگر را حل می کند ، از جمله اینکه یون های نادر زمین را از سیلیس محافظت می کند. در 2 میکرون ، ساختار شیشه ای سیلیس می تواند باعث کاهش نور حاصل از یون های کمیاب زمین شود. دوپینگ نانوذرات همچنین یون های کمیاب زمین را از یکدیگر جدا می کند ، که مفید است از آنجا که بسته بندی آنها از نزدیک با هم می تواند باعث کاهش نور شود.

بیکر گفت: “لیزرهای سنتی که با یک میکرون کار می کنند ، با استفاده از یک دوپانت اتربیوم ، تقریباً تحت تأثیر این عوامل نیستند.”

“راه حل برخی از شیمی بسیار باهوش بود که هولمیوم را در یک نانو پودر لوتیا یا لانتانیم اکسید یا لانتانیم فلوراید حل کرد تا یک محیط کریستالی مناسب ایجاد شود [for the rare earth ions]”سانگرا گفت:” استفاده از شیمی سطل برای سنتز این نانو پودر برای پایین آمدن هزینه مهم بود. “

ذرات پودر ذرات نانو ، که تیم سانگرا در ابتدا برای یک پروژه قبلی سنتز کرده بود ، معمولاً کمتر از 20 نانومتر است که 5000 برابر از موی انسان است.

وی افزود: “علاوه بر این ، ما مجبور بودیم كه این نانو پودرها را با موفقیت در فیبر سیلیكا در مقادیر مناسب برای دستیابی به لیزینگ رها كنیم.”

در شعبه مواد نوری و دستگاهها ، تیم دانشمندان سانگرا با یک کارخانه تراشکاری شده با ابعاد شیشه کار می کنند ، جایی که شیشه ای که در نهایت فیبر می شود با گازهای فلوئور تمیز می شود ، با مشعل ضربه ای قالب ریزی شده و با نانو تزریق می شود. مخلوط ذره – آنچه دانشمندان آن را “دوغاب نانوذرات” می نامند. نتیجه یک قطره یونی یونی با قطر یک زمین نادر ، قطر یک اینچ ، میله شیشه ای یا “پیش فرض نوری” است.

درهای بعدی ، دانشمندان از سیستم کشش فیبر استفاده می کنند – برج چنان عظیم که دو اتاق بزرگ را در خود جای می دهد. ارتفاع دو طبقه ساختمان — برای نرم کردن پیش فریم با یک کوره و کشش آن ، در یک فرایند مشابه با کشیدن تافی ، به یک فیبر نوری تقریباً به اندازه یک موی انسان نازک می شود ، که سپس آن را روی یک دوک بزرگ بزرگ مجاور می چرخاند.

تیم سانگرا در حال حاضر درخواست ثبت اختراع را برای این روند ارسال کرده است. از جمله برنامه های بالقوه ای که برای لیزر ویژه جدید فیبر پیش بینی می کند ، لیزرهای با قدرت بالا و تقویت کننده های دفاعی ، ارتباط از راه دور و حتی جوشکاری و برش لیزری هستند.

سانگرا گفت: “از دیدگاه اساسی ، کل فرآیند از نظر تجاری قابل دوام است.” “ساخت پودر و ترکیب آن در فیبر یک فرایند کم هزینه است. این فرایند بسیار شبیه ساخت فیبر مخابرات است.”

آزمایشگاه تحقیقات نیروی دریایی ایالات متحده توانایی های علمی پیشرفته ای را برای تقویت موقعیت کشور ما در زمینه رهبری دریایی جهانی فراهم می کند. با داشتن بیش از 2500 دانشمند ، مهندس و پرسنل پشتیبانی ، تقریباً 100 سال در خدمت نیروی دریایی ایالات متحده و ملت بوده است و تحقیقات را بیش از آنچه تصور می کنید پیشبرد کرده است. برای اطلاعات بیشتر ، به وب سایت NRL مراجعه کرده و در توییتر ، فیس بوک و یوتیوب به گفتگو بپیوندید.

از آزمایشگاه تحقیقات نیروی دریایی ایالات متحده ، ارتباطات شرکت

تماس با رسانه:
جی ریزل کوچ
[email protected]
(202) 424-9955 تلفن همراه

لابراتوار تحقیقات دریایی ایالات متحده

لینک های مربوطه

http://www.nrl.navy.mil