Ny milepæl inden for laserkøling:Forskerhold køler silicaglas med rekordhøje 67 Kelvin

For første gang er det lykkedes et team af forskere fra Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF og University of New Mexico at køle silicaglas med 67 Kelvin gennem optisk laserkøling. Forskerne fra Jena og Albuquerque har offentliggjort resultaterne i tidsskriftet Optics Express .

Skæring, boring, svejsning – vi forbinder normalt laserlys med opvarmning af materialer, for fx at arbejde med præcision på genstande lavet af metal eller sten. Men under særlige omstændigheder er det også muligt at afkøle materialer gennem stråling med laserlys - en effekt, der er kendt for Doppler-afkøling af gasser. Laserstråling kan dog også forårsage afkøling i faste stoffer.

Denne paradoksale effekt bliver mulig gennem såkaldt anti-Stokes fluorescenskøling. I denne proces exciteres et særligt, højrent materiale via laserlysstråling. På grund af forskellen i energi mellem excitationslaseren og den stråling, der udsendes af materialet, det vil sige fluorescensen, udvindes energi fra materialet i form af varme - det afkøles.

Et forskerhold bestående af Fraunhofer IOF og University of New Mexico-forskere har studeret laserkøling af dopet silicaglas og opnået en betydelig udvikling i deres papir.

Forskere overvinder tidligere køletærskel for silicaglas igen

I mange år blev afkøling af silicaglas anset for umuligt. Men i 2019 var forskere fra Jena og Albuquerque i stand til at bevise laserkølingen af ​​ytterbium-doteret silicaglas for første gang.

Dengang nåede afkølingen kun 0,7 Kelvin fra stuetemperatur. For at overvinde den tidligere køletærskel blev den specifikke proces til fremstilling af det doterede materiale såvel som dets nøjagtige sammensætning optimeret. Desuden blev excitationslaserne, der blev brugt til målingerne udført af University of New Mexico, forbedret i tæt samarbejde med Fraunhofer IOF-forskere.

Som et resultat har forskerne nu opnået en ny rekordstor afkøling:Gennem strålingen fra en ytterbium-doteret silicastav fra en excitationslaser med en effekt på 97 watt og en bølgelængde på 1.032 nanometer, kunne forskerne bevise en temperatursænkning fra stuetemperatur med 67 Kelvin inden for to minutter.

Fiberlignende materiale åbner nye muligheder for anvendelse

På grund af denne nye udvikling kan nye, ekstremt stabile lasere og støjsvage forstærkere til præcisionsmetrologi eller kvanteeksperimenter udvikles i fremtiden. Desuden kan den optimerede proces fremme vibrationsfri køling og derved åbne op for nye potentialer for anvendelse i materialeanalyse og medicinsk diagnostik gennem kryomikroskopi og gammaspektroskopi.

Den potentielle anvendelse af materialet i fibre er særlig interessant. I fremtiden vil den nye proces kunne bruges til at udvikle højtydende fiberlasere, der ikke skal håndtere de begrænsende virkninger af termisk ustabilitet.

Den nye proces repræsenterer et markant fremskridt inden for laserkøling og markerer ifølge eksperternes teoretiske overvejelser ikke den størst mulige temperaturreduktion ved brug af laserlys endnu.

Flere oplysninger: Brian Topper et al., Laserkøling ytterbium-doteret silica med 67 K fra omgivelsestemperatur, Optics Express (2023). DOI:10.1364/OE.507657

Journaloplysninger: Optics Express

Leveret af Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF