多年来，研究人员一直在努力寻找能够在被红外激光激发时冷却的硅石光纤，但一直没有成功。这种光纤将有可能使用最普遍使用的激光光纤类型——二氧化硅——无需从外部进行冷却，并且从理论上讲，可以生产具有异常纯净和稳定频率的基于激光的设备。

　　液体和固体的固态光学制冷可以通过一种叫做反斯托克斯荧光的过程来实现。当在适当的波长范围内进行光激发时，某些材料会发出荧光，其平均能量会超过泵浦光子能量，从而以声子的形式从材料中提取能量，因此在没有过度放热效应的情况下会冷却。主要是通过将三价稀土掺杂到经过精心选择的成分的晶体或无定形主体中而观察到的，这些成分的设计旨在减少有害的放热机理，否则该机理会掩盖ASF冷却。

　　通过反斯托克斯荧光机理，在高度掺杂Yb＋的纯化YLiF4晶体中，实现了首个两位数固态制冷，温度低至91K。ASF冷却对于基于大功率光纤的激光器和放大器特别有用。通常使用外部冷却器从这些设备中散热，这些冷却器使空气或水在激光增益介质周围循环。冷却器在激光器中引起热梯度和振动，从而增加噪声，并降低激光输出光束的时间相干性和空间质量。替代方法采用基于珀尔帖效应的热电冷却器。尽管后者通常是无振动的，但它们也会不对称地冷却光纤，这会产生不希望的热梯度。ASF冷却提供了一种可避免所有这些问题的有价值的解决方案。光学冷却的光纤还可以在冷却的探测器中产生高影响力的应用，以降低热噪声，为超稳定的激光器提供冷却的参考腔，减少星载IR和X射线传感器的暗电流以及点冷却微电子器件。

　　图1. 记录冷却结果

　　▲抽水≈12分钟后，晶体温度（蓝色）达到91°K，而翻盖温度保持在≈265°K

　　到目前为止，已经在亚碲酸盐玻璃中对光纤中的ASF冷却进行了简短的研究，但是大多数的演示都是在氟化物主体中进行的。据报道，放置在真空中的掺Yb的ZBLANP光纤的温度变化为-65K，最近在常压下测得掺Yb的ZBLAN光纤的温度变化为-0.65K。与传统的二氧化硅相比，氟化物玻璃对浓度猝灭具有更大的抵抗力，因此可以掺入更高浓度的无猝灭稀土离子。这转化为更多的离子（热机）每单位体积提取热量，并具有更大的冷却潜力。

　　但是，与二氧化硅相比，氟化物的实际应用受到限制。最重要的是，氟化物纤维是通过熔化粉末并铸造大块玻璃制成的，然后从中拉出纤维。这导致杂质水平比使用化学气相沉积方法制造的石英玻璃高约一个数量级。此外，氟化物玻璃更易碎，并且更难以抛光，切割和接合到其他纤维上。它们还具有较低的光损伤功率阈值，在其中写入反射光栅更具挑战性，并且它们的吸收和发射截面较弱。从技术角度来看，开发能够进行激光冷却的二氧化硅组合物至关重要。

　　在这项工作中评估的石英纤维被设计为具有低损耗，以减轻吸收性加热，吸收性加热与泵浦功率成线性比例。另外，由于冷却随热机数量的增加而缩放，因此光纤也被设计为具有高的Yb浓度。但是，如前所述，这可能会产生一些不利的副作用，例如增加浓度猝灭和降低非辐射寿命。因此，通过用氟和氧化铝（Al2O3）掺杂二氧化硅核，可以减轻这些影响。

　　图2. 用于测量掺Yb石英纤维中温度变化的实验装置。随着掺杂光纤和FBG中温度的变化，在FBG中感应的光谱偏移会被调谐到FBG共振峰之一的探测激光器询问。

　　下图显示出了在空气中的纤维上的示例性温度测量。泵（实心红色曲线）保持关闭状态20s，然后突然打开40s。稳态温度变化被视为前20s（通常远低于5 mK）的平均温度变化与后20s（以两个灰色区域表示）的平均温度变化之间的差。为了获得图4所示的每单位长度的温度变化与吸收的泵浦功率之间的关系，使用了一个热功率计来测量掺杂光纤输出端的泵浦功率。将输出功率与饱和功率、小信号吸收以及FBG和光纤输出之间的距离的已知值相结合，以计算温度测量位置每单位长度吸收的泵浦功率。

　　▲图3. 在1040 nm泵浦的掺Yb的石英光纤中记录的温度变化的时间轨迹，其中110 mW耦合在光纤纤芯中。灰色部分表示为计算稳态温度变化而平均的数据部分。

　　▲图4. 在三种波长的测量位置，纤维温度对单位长度吸收的泵浦功率的依赖性，以及ASF模型的拟合。

　　自从加州大学的Jennifer Knall和她的合作者中瑞典大学的Magnus Engholm、克莱姆森大学的John Ballato、拉瓦尔大学的Martin Bernier和Tommy Boilard以及伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Peter Dragic和Yu Nanjie发现的第一个突破以来，研究人员发现了另外两种自冷却的石英纤维成分，而Knall使用性能最佳的候选材料来制造冷却纤维放大器。她能够将激光放大40倍以上，同时沿光纤的长度保持负的平均温度变化。尽管冷却测试证明可以在二氧化硅中进行激光冷却，但这种光纤放大器显示出在实践中也无可否认地有用。

　　现在，研究人员提取了大约4％的注入纤维的能量。这使得在不首先提高这种低效率的情况下不太可能将光纤用于高功率应用，但是研究人员发现在低功率应用中具有极其稳定的激光器的许多机会，例如极其精确的计量学或测量科学。

　　▲图5. 在三种波长的测量位置，测得的光纤1的温度变化与泵浦功率的函数关系

　　为了为二氧化硅中的ASF冷却设定新的基线，对性能最佳的纤维（纤维1）进行了更全面的表征。对于另外两个泵浦波长：1020 nm和1040 nm，测量了温度变化对泵浦功率的依赖性。由于这些参数被约束为在所有泵浦波长下都具有相同的值，因此包含这些附加数据可得出更合适的吸收损耗和临界猝灭浓度值。不出所料，当在1020 nm泵浦时，光纤会加热，而在1040 nm泵浦时，光纤会表现出最大的冷却效果（图3）。在1020 nm处，泵浦吸收相对较大，但泵浦与荧光光子之间的平均能量差较小，因此，由于浓度猝灭和吸收损失，所提取的能量不足以抵消加热。然而，在1040 nm处，泵浦吸收和能量差之间的权衡接近最佳值，并且在测量位置，对于80 mW的泵浦功率，光纤能够冷却至-70mK（170 mW / m吸收的泵功率）。这表示每单位长度的热量提取量是参考文献中报道的两倍。

　　▲研究生Jenny Knall站在自冷却纤维的实验装置旁边。电脑会显示光纤温度随时间变化的测量值-从Knall打开激光泵时开始出现下降。

　　Digonnet表示：“我们可以采用这项技术的程度取决于研究人员可以推动材料科学发展的程度。这还只是冰山一角。”

　　本文来源：Jennifer Knall et al. Laser cooling in a silica optical fiber at atmospheric pressure, Optics Letters (2020).

　　参考文献：S. D. Melgaard, A. R. Albrecht, M. P. Hehlen, and M. Sheik-Bahae, Sci. Rep. 6, 20380 (2016).