A kvarcüveg lézer lehűl, és rögzíti a méretet

A németországi Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering és az amerikai Új-Mexikói Egyetem kutatóinak csoportjának sikerült először lézeres hűtéssel lehűteni a kvarcüveget szobahőmérsékletről 67 kelvinnel. A kutatási eredményekről az Optics Express folyóirat legújabb száma számol be.
Az emberek általában a lézert az anyagok melegítésére, például vágásra, fúrásra, hegesztésre, valamint fém- vagy kőtárgyakon végzett precíziós munkákra asszociálják. De bizonyos esetekben az anyagok lézersugárzással is hűthetők, például a gázok Doppler-hűtésével. A lézersugárzás azonban lehűtheti a szilárd anyagokat is.
Az úgynevezett anti-Stokes fluoreszcens hűtéssel ez a hideg-meleg-ellentétes hatás lehetővé válik. Ebben a folyamatban egy speciális, nagy tisztaságú anyagot gerjesztenek lézersugárzással. A lézerfény és az anyag által kibocsátott sugárzás (vagyis a fluoreszcencia) közötti energiakülönbség miatt a lézer hő formájában vesz fel energiát az anyagból, és az anyag lehűl.
Évekig lehetetlennek tartották a kvarcüveg lézeres hűtését. De 2019-ben a csapat először mutatta be, hogy az itterbiummal (Yb) adalékolt kvarcüveg lézerrel hűthető. Akkoriban csak 0,7 Kelvinnel lehetett hűteni szobahőmérsékletről. A korábbi hűtési határérték túllépése érdekében optimalizálták az adalékolt anyag előkészítési folyamatát.
Ennek eredményeként a csapat új rekordhűtést ért el: a 97 watt teljesítményű, 1032 nanométeres hullámhosszú lézeren keresztül itterbiummal adalékolt kvarcrudak sugárzásával a hőmérsékletet szobahőmérséklethez képest 67 Kelvinnel csökkentették.
Ez az új fejlesztés hozzájárulhat a rendkívül stabil lézerek és alacsony zajszintű erősítők jövőbeli fejlesztéséhez precíziós mérésekhez vagy kvantumkísérletekhez. Emellett az optimalizált eljárás a rezgésmentes hűtést is előmozdíthatja, ami a kriogén mikroszkóp és a gamma energia spektroszkópia segítségével az anyagelemzésben és az orvosi diagnosztikában is hasznos lehet.
Az anyag szálakban is használható. A jövőben az új eljárással olyan nagy teljesítményű szálas lézereket fejleszthetnek ki, amelyek leküzdik a termikus instabilitás hátrányát.