Kvartsglaslaserkøler til at optage størrelse

Et team af forskere fra Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering i Tyskland og University of New Mexico i USA er lykkedes med at køle kvartsglas med 67 kelvin fra stuetemperatur for første gang ved laserkøling. Forskningsresultaterne er rapporteret i det seneste nummer af tidsskriftet Optics Express.
Folk forbinder normalt lasere med opvarmning af materialer, såsom skæring, boring, svejsning og udførelse af præcisionsarbejde på metal- eller stengenstande. Men i konkrete tilfælde kan materialer også afkøles ved laserstråling, såsom Doppler-køling af gasser. Laserstråling kan dog også afkøle faste stoffer.
Ved hjælp af såkaldt anti-Stokes fluorescenskøling bliver denne kulde-varme-modsat effekt mulig. I denne proces exciteres et særligt højrent materiale af laserstråling. På grund af energiforskellen mellem laserlyset og den stråling, som materialet udsender (dvs. fluorescens), trækker laseren energi fra materialet i form af varme, og materialet afkøles.
I årevis blev laserkøling af kvartsglas anset for umuligt. Men i 2019 demonstrerede holdet for første gang, at ytterbium (Yb)-doteret kvartsglas kunne køles med en laser. Dengang kunne den kun afkøles med 0,7 Kelvin fra stuetemperatur. For at gå ud over den tidligere kølegrænse optimerede de fremstillingsprocessen for det dopede materiale.
Som et resultat opnåede holdet en ny rekordstor afkøling: ved at udstråle ytterbium-doterede kvartsstænger gennem en laser med en effekt på 97 watt og en bølgelængde på 1.032 nanometer, blev temperaturen sænket med 67 Kelvin fra stuetemperatur.
Dette nye fremskridt kan bidrage til den fremtidige udvikling af ekstremt stabile lasere og støjsvage forstærkere til præcisionsmålinger eller kvanteeksperimenter. Derudover kunne den optimerede proces fremme vibrationsfri køling, hvilket kunne være nyttigt i materialeanalyse og medicinsk diagnostik ved hjælp af kryogen mikroskopi og gammaenergispektroskopi.
Materialet har også potentielle anvendelser i fibre. I fremtiden kan den nye proces bruges til at udvikle højtydende fiberlasere, der overvinder ulempen ved termisk ustabilitet.