Kvartsglaslaserkylar för att registrera magnitud

Ett team av forskare från Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering i Tyskland och University of New Mexico i USA har för första gången lyckats kyla kvartsglas med 67 kelvin från rumstemperatur genom laserkylning. Forskningsresultaten redovisas i det senaste numret av tidskriften Optics Express.
Människor förknippar vanligtvis lasrar med uppvärmning av material, såsom skärning, borrning, svetsning och att utföra precisionsarbete på metall- eller stenföremål. Men i specifika fall kan material även kylas med laserstrålning, såsom dopplerkylning av gaser. Men laserstrålning kan även kyla fasta ämnen.
Med hjälp av så kallad anti-Stokes fluorescenskylning blir denna kyla-värme-kontraeffekt möjlig. I denna process exciteras ett speciellt högrent material av laserstrålning. På grund av energiskillnaden mellan laserljuset och den strålning som emitteras av materialet (dvs fluorescens) hämtar lasern energi från materialet i form av värme och materialet kyls.
I åratal ansågs laserkylning av kvartsglas omöjlig. Men i 2019 demonstrerade teamet för första gången att ytterbium (Yb)-dopat kvartsglas kunde kylas med en laser. På den tiden kunde den endast kylas med 0,7 Kelvin från rumstemperatur. För att gå utöver den tidigare kylningsgränsen optimerade de beredningsprocessen för det dopade materialet.
Som ett resultat uppnådde teamet en ny rekordstor kylning: genom att utstråla ytterbiumdopade kvartsstavar genom en laser med en effekt på 97 watt och en våglängd på 1 032 nanometer, sänktes temperaturen med 67 Kelvin från rumstemperatur.
Detta nya framsteg kan bidra till den framtida utvecklingen av extremt stabila lasrar och lågbrusförstärkare för precisionsmätningar eller kvantexperiment. Dessutom kan den optimerade processen främja vibrationsfri kylning, vilket kan vara användbart vid materialanalys och medicinsk diagnostik med hjälp av kryogen mikroskopi och gammaenergispektroskopi.
Materialet har även potentiella användningsområden i fibrer. I framtiden kan den nya processen användas för att utveckla högpresterande fiberlasrar som övervinner nackdelen med termisk instabilitet.