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矽石光纖，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——二氧化矽——無需從(cong) 外部進行冷卻，並且從(cong) 理論上講，可以生產(chan) 具有異常純淨和穩定頻率的基於(yu) 激光的設備。

　　液體(ti) 和固體(ti) 的固態光學製冷可以通過一種叫做反斯托克斯熒光的過程來實現。當在適當的波長範圍內(nei) 進行光激發時，某些材料會(hui) 發出熒光，其平均能量會(hui) 超過泵浦光子能量，從(cong) 而以聲子的形式從(cong) 材料中提取能量，因此在沒有過度放熱效應的情況下會(hui) 冷卻。主要是通過將三價(jia) 稀土摻雜到經過精心選擇的成分的晶體(ti) 或無定形主體(ti) 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(hui) 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(ti) 中，實現了首個(ge) 兩(liang) 位數固態製冷，溫度低至91K。ASF冷卻對於(yu) 基於(yu) 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(cong) 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(cong) 而增加噪聲，並降低激光輸出光束的時間相幹性和空間質量。替代方法采用基於(yu) 珀爾帖效應的熱電冷卻器。盡管後者通常是無振動的，但它們(men) 也會(hui) 不對稱地冷卻光纖，這會(hui) 產(chan) 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(jia) 值的解決(jue) 方案。光學冷卻的光纖還可以在冷卻的探測器中產(chan) 生高影響力的應用，以降低熱噪聲，為(wei) 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(chuan) 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分鍾後，晶體(ti) 溫度（藍色）達到91°K，而翻蓋溫度保持在≈265°K

　　到目前為(wei) 止，已經在亞(ya) 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(ti) 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(wei) -65K，最近在常壓下測得摻Yb的ZBLAN光纖的溫度變化為(wei) -0.65K。與(yu) 傳(chuan) 統的二氧化矽相比，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(wei) 更多的離子（熱機）每單位體(ti) 積提取熱量，並具有更大的冷卻潛力。

　　但是，與(yu) 二氧化矽相比，氟化物的實際應用受到限製。最重要的是，氟化物纖維是通過熔化粉末並鑄造大塊玻璃製成的，然後從(cong) 中拉出纖維。這導致雜質水平比使用化學氣相沉積方法製造的石英玻璃高約一個(ge) 數量級。此外，氟化物玻璃更易碎，並且更難以拋光，切割和接合到其他纖維上。它們(men) 還具有較低的光損傷(shang) 功率閾值，在其中寫(xie) 入反射光柵更具挑戰性，並且它們(men) 的吸收和發射截麵較弱。從(cong) 技術角度來看，開發能夠進行激光冷卻的二氧化矽組合物至關(guan) 重要。

　　在這項工作中評估的石英纖維被設計為(wei) 具有低損耗，以減輕吸收性加熱，吸收性加熱與(yu) 泵浦功率成線性比例。另外，由於(yu) 冷卻隨熱機數量的增加而縮放，因此光纖也被設計為(wei) 具有高的Yb濃度。但是，如前所述，這可能會(hui) 產(chan) 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）摻雜二氧化矽核，可以減輕這些影響。

　　圖2. 用於(yu) 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(hui) 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(guan) 閉狀態20s，然後突然打開40s。穩態溫度變化被視為(wei) 前20s（通常遠低於(yu) 5 mK）的平均溫度變化與(yu) 後20s（以兩(liang) 個(ge) 灰色區域表示）的平均溫度變化之間的差。為(wei) 了獲得圖4所示的每單位長度的溫度變化與(yu) 吸收的泵浦功率之間的關(guan) 係，使用了一個(ge) 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(yu) 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(wei) 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(cong) 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(ge) 突破以來，研究人員發現了另外兩(liang) 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製造冷卻纖維放大器。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矽中進行激光冷卻，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於(yu) 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(hui) ，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(yu) 泵浦功率的函數關(guan) 係

　　為(wei) 了為(wei) 二氧化矽中的ASF冷卻設定新的基線，對性能最佳的纖維（纖維1）進行了更全麵的表征。對於(yu) 另外兩(liang) 個(ge) 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。由於(yu) 這些參數被約束為(wei) 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(lin) 界猝滅濃度值。不出所料，當在1020 nm泵浦時，光纖會(hui) 加熱，而在1040 nm泵浦時，光纖會(hui) 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(yu) 熒光光子之間的平均能量差較小，因此，由於(yu) 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，並且在測量位置，對於(yu) 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(liang) 倍。

　　▲研究生Jenny Knall站在自冷卻纖維的實驗裝置旁邊。電腦會(hui) 顯示光纖溫度隨時間變化的測量值-從(cong) Knall打開激光泵時開始出現下降。

　　Digonnet表示：“我們(men) 可以采用這項技術的程度取決(jue) 於(yu) 研究人員可以推動材料科學發展的程度。這還隻是冰山一角。”