Впервые группе исследователей из Института прикладной оптики и точного машиностроения Фраунгофера (IOF) и Университета Нью-Мексико удалось охладить кварцевое стекло на 67 Кельвинов посредством оптического лазерного охлаждения. Исследователи из Йены и Альбукерке опубликовали результаты в журнале Optics Express.
Резка, сверление, сварка — мы обычно ассоциируем лазерный свет с нагревом материалов, например, для точной работы с объектами из металла или камня. Но при определенных обстоятельствах можно также охлаждать материалы посредством излучения лазерного света — эффект, известный как доплеровское охлаждение газов. Однако лазерное излучение также может вызывать охлаждение твердых тел.
Этот парадоксальный эффект становится возможным благодаря так называемому антистоксову флуоресцентному охлаждению. В этом процессе специальный материал высокой чистоты возбуждается лазерным излучением. За счет разницы в энергии возбуждающего лазера и излучения, испускаемого материалом, т. е. флуоресценции, энергия извлекается из материала в виде тепла — охлаждается.
Исследовательская группа, состоящая из исследователей Фраунгофера IOF и Университета Нью-Мексико, изучила лазерное охлаждение легированного кварцевого стекла и добилась значительных успехов в своей статье.
Исследователи снова преодолели прежний порог охлаждения кварцевого стекла
Многие годы охлаждение кварцевого стекла считалось невозможным. Но в 2019 году исследователи из Йены и Альбукерке впервые смогли доказать лазерное охлаждение кварцевого стекла, легированного иттербием.
Тогда охлаждение достигало всего 0,7 Кельвина от комнатной температуры. Чтобы преодолеть предыдущий порог охлаждения, был оптимизирован конкретный процесс производства легированного материала, а также его точный состав. Более того, лазеры возбуждения, используемые для измерений, проводимых Университетом Нью-Мексико, были усовершенствованы в тесном сотрудничестве с исследователями IOF Фраунгофера.
В результате исследователи теперь добились нового рекордного охлаждения: посредством излучения стержня из легированного иттербием кремнезема возбуждающим лазером мощностью 97 Вт и длиной волны 1032 нанометра исследователи смогли доказать снижение температуры от комнатной на 67 Кельвинов в течение двух минут.
Волокнистый материал открывает новые возможности для применения
Благодаря этой новой разработке в будущем могут быть разработаны новые, чрезвычайно стабильные лазеры и малошумящие усилители для точной метрологии или квантовых экспериментов. Более того, оптимизированный процесс может способствовать безвибрационному охлаждению и тем самым открыть новые возможности для применения в анализе материалов и медицинской диагностике с помощью криомикроскопии и гамма-спектроскопии.
Потенциальное использование этого материала в волокнах особенно интересно. В будущем новый процесс может быть использован для разработки высокопроизводительных волоконных лазеров, которым не придется сталкиваться с ограничивающими эффектами тепловой нестабильности.
Новый процесс представляет собой значительный прогресс в области лазерного охлаждения и, согласно теоретическим соображениям экспертов, пока не обеспечивает максимально возможного снижения температуры с помощью лазерного света.
