Voor het eerst is een team van onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Toegepaste Optica en Precision Engineering IOF en de Universiteit van New Mexico erin geslaagd silicaglas met 67 Kelvin te koelen door middel van optische laserkoeling. De onderzoekers uit Jena en Albuquerque hebben de resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Optics Express .

Snijden, boren, lassen – laserlicht associëren we meestal met het verwarmen van materialen, om bijvoorbeeld met precisie te werken aan voorwerpen van metaal of steen. Maar onder specifieke omstandigheden is het ook mogelijk om materialen te koelen door middel van straling met laserlicht – een effect dat bekend staat om de Doppler-koeling van gassen. Laserstraling kan echter ook voor afkoeling van vaste stoffen zorgen.

Dit paradoxale effect wordt mogelijk door zogenaamde anti-Stokes fluorescentiekoeling. Bij dit proces wordt via laserlichtstraling een speciaal, zeer zuiver materiaal aangeslagen. Vanwege het verschil in energie tussen de excitatielaser en de straling die door het materiaal wordt uitgezonden, d.w.z. de fluorescentie, wordt energie aan het materiaal onttrokken in de vorm van warmte:het wordt gekoeld.

Een onderzoeksteam bestaande uit onderzoekers van Fraunhofer IOF en de Universiteit van New Mexico heeft de laserkoeling van gedoteerd silicaglas bestudeerd en een belangrijke ontwikkeling in hun artikel gerealiseerd.

Onderzoekers hebben de eerdere afkoeldrempel van silicaglas opnieuw overschreden

Jarenlang werd het koelen van kwartsglas als onmogelijk beschouwd. Maar in 2019 konden onderzoekers uit Jena en Albuquerque voor het eerst de laserkoeling van met ytterbium gedoteerd silicaglas bewijzen.

Destijds bereikte de koeling slechts 0,7 Kelvin vanaf kamertemperatuur. Om de eerdere afkoeldrempel te overwinnen, werden het specifieke proces voor de productie van het gedoteerde materiaal en de exacte samenstelling ervan geoptimaliseerd. Bovendien werden de excitatielasers die werden gebruikt voor de metingen uitgevoerd door de Universiteit van New Mexico verbeterd in nauwe samenwerking met Fraunhofer IOF-onderzoekers.

Als gevolg hiervan hebben de onderzoekers nu een nieuwe recordbrekende afkoeling bereikt:door de straling van een met ytterbium gedoteerde silicastaaf door een excitatielaser met een vermogen van 97 watt en een golflengte van 1.032 nanometer konden de onderzoekers een temperatuurverlaging vanaf kamertemperatuur met 67 Kelvin binnen twee minuten.

Vezelachtig materiaal opent nieuwe mogelijkheden voor toepassing

Dankzij deze nieuwe ontwikkeling kunnen in de toekomst nieuwe, uiterst stabiele lasers en geluidsarme versterkers voor precisiemetrologie of kwantumexperimenten worden ontwikkeld. Bovendien kan het geoptimaliseerde proces trillingsvrije koeling bevorderen en daardoor nieuwe mogelijkheden openen voor toepassing in materiaalanalyse en medische diagnostiek door middel van cryomicroscopie en gammaspectroscopie.

Vooral het potentiële gebruik van het materiaal in vezels is interessant. In de toekomst zou het nieuwe proces kunnen worden gebruikt om hoogwaardige fiberlasers te ontwikkelen die niet te maken hebben met de beperkende effecten van thermische instabiliteit.

Het nieuwe proces vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang op het gebied van laserkoeling en levert volgens de theoretische overwegingen van de experts nog niet de grootst mogelijke temperatuurverlaging met behulp van laserlicht op.

Meer informatie: Brian Topper et al., Laserkoeling van ytterbium-gedoteerd silica met 67 K vanaf omgevingstemperatuur, Optics Express (2023). DOI:10.1364/OE.507657

Journaalinformatie: Optica Express

Aangeboden door Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF