Laser ze szkła kwarcowego chłodzi się, aby zarejestrować wielkość

Zespołowi naukowców z Instytutu Optyki Stosowanej i Inżynierii Precyzyjnej im. Fraunhofera w Niemczech oraz Uniwersytetu Nowego Meksyku w USA po raz pierwszy udało się schłodzić szkło kwarcowe o 67 kelwinów w stosunku do temperatury pokojowej za pomocą chłodzenia laserowego. Wyniki badań zostały opublikowane w najnowszym numerze czasopisma Optics Express.
Lasery zwykle kojarzą się z nagrzewaniem materiałów, takim jak cięcie, wiercenie, spawanie i wykonywanie precyzyjnych prac na przedmiotach metalowych lub kamiennych. Jednak w szczególnych przypadkach materiały można również chłodzić promieniowaniem laserowym, na przykład dopplerowskim chłodzeniem gazów. Jednakże promieniowanie laserowe może również chłodzić ciała stałe.
Dzięki tak zwanemu chłodzeniu fluorescencyjnemu anty-Stokesowskiemu możliwy jest efekt przeciwieństwa zimnego i ciepła. W procesie tym specjalny materiał o wysokiej czystości jest wzbudzany promieniowaniem laserowym. Ze względu na różnicę energii pomiędzy światłem lasera a promieniowaniem emitowanym przez materiał (tj. fluorescencją), laser pobiera energię z materiału w postaci ciepła, a materiał jest chłodzony.
Przez lata laserowe chłodzenie szkła kwarcowego uważano za niemożliwe. Jednak w 2019 roku zespół po raz pierwszy wykazał, że szkło kwarcowe domieszkowane iterbem (Yb) można chłodzić za pomocą lasera. W tamtym czasie można było go ochłodzić jedynie o 0,7 Kelvina w stosunku do temperatury pokojowej. Aby wyjść poza poprzedni limit chłodzenia, zoptymalizowali proces przygotowania domieszkowanego materiału.
W rezultacie zespół osiągnął nowy, rekordowy sposób chłodzenia: napromieniowując pręty kwarcowe domieszkowane iterbem przez laser o mocy 97 watów i długości fali 1032 nanometrów, temperaturę obniżono o 67 kelwinów w stosunku do temperatury pokojowej.
To nowe osiągnięcie może przyczynić się do przyszłego rozwoju niezwykle stabilnych laserów i wzmacniaczy o niskim poziomie szumów do precyzyjnych pomiarów lub eksperymentów kwantowych. Ponadto zoptymalizowany proces mógłby usprawnić chłodzenie pozbawione wibracji, co mogłoby być przydatne w analizie materiałów i diagnostyce medycznej za pomocą mikroskopii kriogenicznej i spektroskopii energii gamma.
Materiał ma również potencjalne zastosowania we włóknach. W przyszłości nowy proces będzie można wykorzystać do opracowania wysokowydajnych laserów światłowodowych, które przezwyciężą wadę niestabilności termicznej.