多年來，研究人員一直在努力尋找能夠在被紅外激光激發時冷卻的硅石光纖，但一直沒有成功。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——無需從外部進行冷卻，并且從理論上講，可以生產具有異常純凈和穩定頻率的基于激光的設備。
液體和固體的固態光學制冷可以通過一種叫做反斯托克斯熒光的過程來實現。當在適當的波長范圍內進行光激發時，某些材料會發出熒光，其平均能量會超過泵浦光子能量，從而以聲子的形式從材料中提取能量，因此在沒有過度放熱效應的情況下會冷卻。主要是通過將三價稀土摻雜到經過精心選擇的成分的晶體或無定形主體中而觀察到的，這些成分的設計旨在減少有害的放熱機理，否則該機理會掩蓋ASF冷卻。
通過反斯托克斯熒光機理，在高度摻雜Yb＋的純化YLiF4晶體中，實現了首個兩位數固態制冷，溫度低至91K。ASF冷卻對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備中散熱，這些冷卻器使空氣或水在激光增益介質周圍循環。冷卻器在激光器中引起熱梯度和振動，從而增加噪聲，并降低激光輸出光束的時間相干性和空間質量。替代方法采用基于珀爾帖效應的熱電冷卻器。盡管后者通常是無振動的，但它們也會不對稱地冷卻光纖，這會產生不希望的熱梯度。ASF冷卻提供了一種可避免所有這些問題的有價值的解決方案。光學冷卻的光纖還可以在冷卻的探測器中產生高影響力的應用，以降低熱噪聲，為超穩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冷卻微電子器件。
圖1. 記錄冷卻結果
▲抽水≈12分鐘后，晶體溫度（藍色）達到91°K，而翻蓋溫度保持在≈265°K
到目前為止，已經在亞碲酸鹽玻璃中對光纖中的ASF冷卻進行了簡短的研究，但是大多數的演示都是在氟化物主體中進行的。據報道，放置在真空中的摻Yb的ZBLANP光纖的溫度變化為-65K，最近在常壓下測得摻Yb的ZBLAN光纖的溫度變化為-0.65K。與傳統的二氧化硅相比，氟化物玻璃對濃度猝滅具有更大的抵抗力，因此可以摻入更高濃度的無猝滅稀土離子。這轉化為更多的離子（熱機）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，氟化物的實際應用受到限制。最重要的是，氟化物纖維是通過熔化粉末并鑄造大塊玻璃制成的，然后從中拉出纖維。這導致雜質水平比使用化學氣相沉積方法制造的石英玻璃高約一個數量級。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性，并且它們的吸收和發射截面較弱。從技術角度來看，開發能夠進行激光冷卻的二氧化硅組合物至關重要。
在這項工作中評估的石英纖維被設計為具有低損耗，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，由于冷卻隨熱機數量的增加而縮放，因此光纖也被設計為具有高的Yb濃度。但是，如前所述，這可能會產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. 用于測量摻Yb石英纖維中溫度變化的實驗裝置。隨著摻雜光纖和FBG中溫度的變化，在FBG中感應的光譜偏移會被調諧到FBG共振峰之一的探測激光器詢問。
下圖顯示出了在空氣中的纖維上的示例性溫度測量。泵（實心紅色曲線）保持關閉狀態20s，然后突然打開40s。穩態溫度變化被視為前20s（通常遠低于5 mK）的平均溫度變化與后20s（以兩個灰色區域表示）的平均溫度變化之間的差。為了獲得圖4所示的每單位長度的溫度變化與吸收的泵浦功率之間的關系，使用了一個熱功率計來測量摻雜光纖輸出端的泵浦功率。將輸出功率與飽和功率、小信號吸收以及FBG和光纖輸出之間的距離的已知值相結合，以計算溫度測量位置每單位長度吸收的泵浦功率。
▲圖3. 在1040 nm泵浦的摻Yb的石英光纖中記錄的溫度變化的時間軌跡，其中110 mW耦合在光纖纖芯中。灰色部分表示為計算穩態溫度變化而平均的數據部分。
▲圖4. 在三種波長的測量位置，纖維溫度對單位長度吸收的泵浦功率的依賴性，以及ASF模型的擬合。
自從加州大學的Jennifer Knall和她的合作者中瑞典大學的Magnus Engholm、克萊姆森大學的John Ballato、拉瓦爾大學的Martin Bernier和Tommy Boilard以及伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的Peter Dragic和Yu Nanjie發現的第一個突破以來，研究人員發現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制造冷卻纖維放大器。她能夠將激光放大40倍以上，同時沿光纖的長度保持負的平均溫度變化。盡管冷卻測試證明可以在二氧化硅中進行激光冷卻，但這種光纖放大器顯示出在實踐中也無可否認地有用。
現在，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用，但是研究人員發現在低功率應用中具有極其穩定的激光器的許多機會，例如極其精確的計量學或測量科學。
▲圖5. 在三種波長的測量位置，測得的光纖1的溫度變化與泵浦功率的函數關系
為了為二氧化硅中的ASF冷卻設定新的基線，對性能最佳的纖維（纖維1）進行了更全面的表征。對于另外兩個泵浦波長：1020 nm和1040 nm，測量了溫度變化對泵浦功率的依賴性。由于這些參數被約束為在所有泵浦波長下都具有相同的值，因此包含這些附加數據可得出更合適的吸收損耗和臨界猝滅濃度值。不出所料，當在1020 nm泵浦時，光纖會加熱，而在1040 nm泵浦時，光纖會表現出最大的冷卻效果（圖3）。在1020 nm處，泵浦吸收相對較大，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衡接近最佳值，并且在測量位置，對于80 mW的泵浦功率，光纖能夠冷卻至-70mK（170 mW / m吸收的泵功率）。這表示每單位長度的熱量提取量是參考文獻中報道的兩倍。
▲研究生Jenny Knall站在自冷卻纖維的實驗裝置旁邊。電腦會顯示光纖溫度隨時間變化的測量值-從Knall打開激光泵時開始出現下降。
Digonnet表示：“我們可以采用這項技術的程度取決于研究人員可以推動材料科學發展的程度。這還只是冰山一角。”
本文來源：Jennifer Knall et al. Laser cooling in a silica optical fiber at atmospheric pressure, Optics Letters (2020).
參考文獻：S. D. Melgaard, A. R. Albrecht, M. P. Hehlen, and M. Sheik-Bahae, Sci. Rep. 6, 20380 (2016).
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