Les scientifiques du laboratoire de recherche naval des États-Unis ont mis au point un nouveau processus d'utilisation de nanoparticules pour construire des lasers puissants, plus efficaces et plus sûrs pour vos yeux.

Ils le font avec ce qu'on appelle la "fibre dopée aux ions de terres rares". Mettre tout simplement, c'est de la lumière laser pompant une fibre de silice qui a été infusée d'ions de terres rares d'holmium. Selon Jas S. Sanghera, qui dirige la branche Matériaux et dispositifs optiques, ils ont atteint une efficacité de 85 pour cent avec leur nouveau processus.

"Le dopage signifie simplement que nous mettons des ions de terres rares dans le cœur de la fibre, c'est là que se déroule toute l'action, " expliqua Sanghera. " C'est ainsi que nous avons produit ce record du monde d'efficacité, et c'est ce dont nous avons besoin pour une haute énergie, laser plus sûr pour les yeux."

Selon Colin Baker, chimiste de recherche à la Branche Matériaux et Dispositifs Optiques, le processus laser repose sur une source de pompe - le plus souvent un autre laser - qui excite les ions de terres rares, qui émettent ensuite des photons pour produire une lumière de haute qualité pour un effet laser à la longueur d'onde souhaitée.

"Mais ce processus a une pénalité, " Baker a déclaré. "Ce n'est jamais efficace à 100 pour cent. Ce que vous mettez est de l'énergie de la pompe, pas la lumière de haute qualité à la longueur d'onde que vous voulez. Ce qui sort est une qualité de lumière beaucoup plus élevée à la longueur d'onde spécifique que vous voulez, mais l'énergie restante qui n'est pas convertie en lumière laser est gaspillée et convertie en chaleur."

Cette perte d'énergie, Boulanger a dit, limite finalement la mise à l'échelle de la puissance et la qualité de la lumière laser, ce qui rend l'efficacité particulièrement importante.

A l'aide d'un dopant nanoparticulaire, ' ils sont capables d'atteindre le niveau d'efficacité de 85 % avec un laser qui fonctionne à une longueur d'onde de 2 microns, qui est considérée comme une longueur d'onde "plus sûre pour les yeux", plutôt que le traditionnel 1 micron. Bien sûr, Baker a souligné, aucun laser ne peut être considéré comme sûr pour l'œil humain.

Le danger provient de la possibilité que la lumière diffusée soit réfléchie dans l'œil pendant l'opération d'un laser. La lumière diffusée par le trajet d'un laser de 100 kilowatts fonctionnant à 1 micron peut causer des dommages importants à la rétine, conduisant à la cécité. Avec un laser plus sûr pour les yeux, fonctionnant à des longueurs d'onde au-delà de 1,4 micron, cependant, le danger de la lumière diffusée est considérablement réduit.

Selon Boulanger, le dopage aux nanoparticules résout également plusieurs autres problèmes, tel qu'il protège les ions de terres rares de la silice. A 2 microns, la structure vitreuse de la silice peut réduire le flux lumineux des ions de terres rares. Le dopage aux nanoparticules sépare également les ions de terres rares les uns des autres, ce qui est utile car les emballer étroitement ensemble peut également réduire le flux lumineux.

Lasers traditionnels qui fonctionnent à 1 micron, à l'aide d'un dopant à l'ytterbium, ne sont pas aussi affectés par ces facteurs, dit Boulanger.

"La solution était une chimie très intelligente qui a dissous l'holmium dans une nano-poudre de lutétia ou d'oxyde de lanthane ou de fluorure de lanthane pour créer un environnement cristallin approprié [pour les ions de terres rares], " a déclaré Sanghera. " L'utilisation de la chimie du seau pour synthétiser cette nano-poudre était essentielle pour réduire les coûts. "

Les particules de la poudre de nanoparticules, que l'équipe de Sanghera avait initialement synthétisé pour un projet précédent, sont généralement inférieures à 20 nanomètres, qui est 5, 000 fois plus petit qu'un cheveu humain.

"En outre, nous devions réussir à doper ces nano-poudres dans la fibre de silice dans des quantités qui conviendraient pour réaliser le laser, " il ajouta.

A la Branche Matériaux et Dispositifs Optiques, L'équipe de scientifiques de Sanghera travaille avec une pièce de la taille d'une pièce, tour à verre, où le verre qui deviendra éventuellement la fibre est nettoyé avec des gaz fluorés, moulé avec un chalumeau et infusé avec le mélange de nanoparticules, ce que les scientifiques appellent une "boue de nanoparticules". Le résultat est un dopé aux ions de terres rares, tige de verre d'un pouce de diamètre, ou "préforme optique".

La porte à côté, les scientifiques utilisent un système de tirage de fibres - une tour si massive qu'elle occupe deux grandes pièces et la hauteur de deux étages du bâtiment - pour ramollir la préforme avec un four et l'allonger, dans un processus semblable à tirer de la tire, en une fibre optique aussi fine qu'un cheveu humain, qui s'enroule ensuite sur une grande broche à proximité.

L'équipe de Sanghera a déjà déposé une demande de brevet pour le procédé. Parmi les applications potentielles qu'ils envisagent pour le nouveau laser à fibre spécialisé figurent les lasers et amplificateurs haute puissance pour la défense, les télécommunications et même le soudage et le découpage au laser.

« D'un point de vue fondamental, l'ensemble du processus est commercialement viable, " a déclaré Sanghera. "C'est un processus peu coûteux pour fabriquer la poudre et l'incorporer dans la fibre. Le processus est très similaire à celui de la fibre télécom."