För första gången har ett team av forskare från Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF och University of New Mexico lyckats kyla kiselglas med 67 Kelvin genom optisk laserkylning. Forskarna från Jena och Albuquerque har publicerat resultaten i tidskriften Optics Express .
Skärning, borrning, svetsning – vi förknippar vanligtvis laserljus med uppvärmning av material, för att till exempel arbeta med precision på föremål av metall eller sten. Men under specifika omständigheter är det också möjligt att kyla material genom strålning med laserljus – en effekt som är känd för Doppler-kylning av gaser. Men laserstrålning kan också orsaka kylning i fasta ämnen.
Denna paradoxala effekt blir möjlig genom så kallad anti-Stokes fluorescenskylning. I denna process exciteras ett speciellt, högrent material via laserljusstrålning. På grund av skillnaden i energi mellan excitationslasern och den strålning som emitteras av materialet, det vill säga fluorescensen, utvinns energi från materialet i form av värme – det kyls.
En forskargrupp bestående av Fraunhofer IOF och University of New Mexico forskare har studerat laserkylning av dopat kiseldioxidglas och åstadkommit en betydande utveckling i deras papper.
Under många år ansågs kylning av kiselglas vara omöjlig. Men 2019 kunde forskare från Jena och Albuquerque bevisa laserkylningen av ytterbiumdopat kiselglas för första gången.
Då nådde kylningen bara 0,7 Kelvin från rumstemperatur. För att övervinna den tidigare kyltröskeln optimerades den specifika processen för tillverkning av det dopade materialet samt dess exakta sammansättning. Dessutom förbättrades excitationslasrarna som användes för mätningarna utförda av University of New Mexico i nära samarbete med Fraunhofer IOF-forskare.
Som ett resultat har forskarna nu uppnått en ny rekordstor kylning:Genom strålningen av en ytterbiumdopad kiselstav från en excitationslaser med en effekt på 97 watt och en våglängd på 1 032 nanometer kunde forskarna bevisa en temperatursänkning från rumstemperatur med 67 Kelvin inom två minuter.
På grund av denna nya utveckling kan nya, extremt stabila lasrar och lågbrusförstärkare för precisionsmetrologi eller kvantexperiment utvecklas i framtiden. Dessutom kan den optimerade processen främja vibrationsfri kylning och därigenom öppna upp nya möjligheter för användning inom materialanalys och medicinsk diagnostik genom kryomikroskopi och gammaspektroskopi.
Den potentiella användningen av materialet i fibrer är särskilt intressant. I framtiden kan den nya processen användas för att utveckla högpresterande fiberlasrar som inte behöver hantera de begränsande effekterna av termisk instabilitet.
Den nya processen representerar ett betydande framsteg inom laserkylning och markerar, enligt experternas teoretiska överväganden, inte den största möjliga temperatursänkningen med laserljus än.
Mer information: Brian Topper et al, laserkylning ytterbiumdopad kiseldioxid med 67 K från omgivningstemperatur, Optics Express (2023). DOI:10.1364/OE.507657
Journalinformation: Optics Express
Tillhandahålls av Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF
