Les chercheurs ont travaillé dur pendant des années, sans succès, à la poursuite d'une fibre optique en silice qui se refroidirait lorsqu'elle serait excitée par une lumière laser infrarouge. Une telle fibre permettrait d'utiliser le type de fibre laser le plus répandu, la silice, sans avoir à la refroidir extérieurement et, théoriquement, produire des appareils à base de laser avec des fréquences exceptionnellement pures et stables.

"Au lieu de retirer la chaleur du laser, ce qui demande du travail, vous ne générez tout simplement pas la chaleur en premier lieu, " dit Michel Digonnet, qui est professeur-chercheur en physique appliquée à la School of Humanities and Sciences de l'Université de Stanford.

Un laser auto-refroidissant pourrait être utilisé, par exemple, pour créer des amplificateurs à fibre avancés, des dispositifs qui amplifient les signaux lumineux qui les traversent et contribuent au transport des informations codées sur les signaux optiques sur de très longues distances. Actuellement, ce processus génère de la chaleur qui dégrade la qualité du signal lumineux; l'utilisation d'une fibre auto-refroidie éliminerait ce problème.

Mais trouver la bonne composition de silice s'est avérée difficile à atteindre au point que certains experts pensaient que la réalisation de cet objectif était hautement improbable, sinon impossible. Les attentes généralement faibles concernant la découverte de cette fibre avaient donné suffisamment de doutes à l'étudiante diplômée de Stanford, Jennifer Knall, que lorsqu'elle a finalement été témoin des premiers signes d'auto-refroidissement dans ses expériences sur la fibre de silice, elle a refait les tests. Et encore. Et encore.

"Secrètement, J'avais presque perdu espoir, " dit Knall, qui est un étudiant diplômé en génie électrique. "Mais la théorie était solide, et nous avions des collaborateurs vraiment formidables qui étaient prêts à nous écouter et à continuer à fabriquer des fibres optiques. Alors j'ai continué à tester."

La première fibre

La confirmation est arrivée tard dans la nuit. Après quelques tests utilisant des fibres de silice qui n'ont démontré aucun refroidissement lorsqu'elles ont été pompées avec de la lumière laser, Knall a décidé de répéter l'expérience en utilisant une lumière avec une énergie plus faible. La différence d'énergie était très faible, mais ça a tout changé. Lorsque le graphique de mesure de la température s'est chargé sur son écran, il y a eu un plongeon.

"Je pensais, "Il n'y a pas moyen." Je ne voulais pas avoir d'espoir car cela aurait pu être des fluctuations trompeuses dans les mesures du capteur de température, " a déclaré Knall.

Donc, elle a refait la mesure. Six fois de plus. Le plongeon était constant, et Knall est devenu la première personne à être témoin d'une fibre optique de silice qui est devenue plus froide, pas plus chaud, lorsqu'il est excité par la lumière. Elle a immédiatement contacté leurs collaborateurs :Magnus Engholm de la Mid Sweden University, John Ballato à l'Université de Clemson, Martin Bernier et Tommy Boilard à l'Université Laval, et Peter Dragic et Nanjie Yu à l'Université de l'Illinois Urbana-Champaign—pour annoncer le résultat exceptionnel de plusieurs années de recherche collaborative. « J'ai envoyé un e-mail à tout le monde en majuscules : NOUS L'AVONS FAIT. »

La température d'un laser à fibre de silice à refroidissement automatique ne fluctue pas, ainsi la fréquence et la puissance de la lumière qu'ils émettent sont plus stables dans le temps que les lasers à refroidissement externe. Il en résulte une émission d'une couleur plus homogène, ou longueur d'onde, de la lumière.

"Tout à coup, cette merveilleuse idée s'applique au matériau laser le plus courant sous forme de fibre, ce que nous ne pensions pas possible il y a six mois, " dit Digonnet.

Digonnet et Knall étaient auteur principal et auteurs principaux, respectivement, d'un papier en Lettres d'optique qui ont annoncé leur percée en février 2020, suivi de près par un autre article, publié en juin dernier dans la même revue, qui ont exploré des moyens d'améliorer leur propre travail et de rapporter un nouveau record de refroidissement. Ils ont également récemment intégré la fibre de silice dans un amplificateur laser. À long terme, Digonnet et Knall doivent également déterminer comment l'amplificateur laser peut fonctionner plus efficacement afin qu'il puisse être utilisé pour des applications laser haute puissance à grande échelle.

À court terme, cette fibre pourrait s'avérer extrêmement précieuse pour les applications scientifiques de faible puissance visant à recueillir des mesures de haute précision de paramètres physiques tels que l'accélération, ondes acoustiques ou déformation.

Garder au frais

Pour apprécier l'importance de cette percée, il faut comprendre quelques faits simples sur les lasers. Les lasers sont spéciaux pour l'intensité et la monochromaticité de la lumière qu'ils produisent. Les lasers à fibre sont des fibres qui convertissent le chaotique, une lumière "pompe" spectralement large en une lumière monochromatique de haute pureté. Mais dans le processus de production de lumière laser, lasers à fibre, comme tous les lasers, chauffer de manière indésirable. Ce problème est actuellement résolu en ajoutant encombrant, systèmes de refroidissement à base d'eau, qui produisent d'autres effets néfastes. Une fibre de silice qui peut s'auto-refroidir donne une lumière laser plus propre.

Cette forme de refroidissement se produit lorsqu'un ion de terre rare ajouté à la fibre (comme l'ytterbium) absorbe une lumière de faible énergie et émet ensuite de la lumière à un niveau d'énergie légèrement plus élevé. Ce processus, dite fluorescence anti-Stokes, conduit à une diminution de la température de la fibre. C'est difficile dans la silice, cependant, parce que l'énergie d'un ion ytterbium excité peut passer à une impureté dans la fibre et libérer de l'énergie sous forme de chaleur grâce à un processus connu sous le nom de "refroidissement de concentration". Toujours, Knall et Digonnet le savaient, théoriquement du moins, il doit y avoir une composition de fibres appropriée pour le refroidissement laser dans la silice.

"Le défi était de trouver le matériau qui hébergerait le plus d'ytterbium possible sans avoir l'effet de trempe, " dit Digonnet. " Quand la concentration d'ytterbium est trop faible, le refroidissement est trop petit. Quand il est trop haut, les ions perdent leur efficacité de refroidissement. Nous devions trouver une composition de verre qui pousse l'équilibre entre ces deux effets opposés vers une concentration plus élevée."

Indéniablement utile

Depuis leur première percée, les chercheurs ont trouvé deux autres compositions de fibres de silice qui s'auto-refroidissent, et Knall a utilisé le candidat le plus performant pour créer un amplificateur à fibre refroidie. Elle a pu amplifier la lumière laser plus de 40 fois tout en maintenant un changement de température moyen négatif le long de la fibre. Alors que les tests de refroidissement ont prouvé que le refroidissement laser dans la silice est possible, cet amplificateur à fibre montre qu'il est aussi indéniablement utile en pratique.

À l'heure actuelle, les chercheurs extraient environ 4 pour cent de l'énergie qu'ils injectent dans les fibres. Cela rend peu probable que les fibres soient adoptées pour des applications à haute puissance sans d'abord augmenter ce faible rendement, mais les chercheurs voient de nombreuses opportunités pour des lasers extrêmement stables dans des applications de faible puissance, comme une métrologie extrêmement précise, ou la science des mesures.

« Jusqu'où nous pourrons aller avec cette technologie dépendra de la capacité des chercheurs à pousser la science des matériaux, " dit Digonnet. " Ce n'est que la pointe de l'iceberg. "