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Laser-Meilenstein Fraunhofer-Forscher kühlen Quarzglas mit Laser um 67 Kelvin

Quelle: Fraunhofer IOF 2 min Lesedauer

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Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF
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Laserlicht wird von den meisten mit Wärme verbunden. Doch der Laser kann Materialien auch abkühlen. Jetzt ist es einem Team aus Jena und Albuquerque gelungen, den Tiefpunkt nach unten zu verschieben.

Hier blickt man auf einen Quarzglasstab, der mit Ytterbium dotiert ist und durch einen Laser angeregt wird. Nun gibt es einen Effekt, der das Glas dabei abkühlt. Das klappt bisher um nicht mal ein Grad Kelvin. Nun haben es Forscher geschafft, das Ganze um 67 Kelvin zu kühlen.(Bild: Fraunhofer IOF)
Hier blickt man auf einen Quarzglasstab, der mit Ytterbium dotiert ist und durch einen Laser angeregt wird. Nun gibt es einen Effekt, der das Glas dabei abkühlt. Das klappt bisher um nicht mal ein Grad Kelvin. Nun haben es Forscher geschafft, das Ganze um 67 Kelvin zu kühlen.
(Bild: Fraunhofer IOF)

Einem Team aus Forschenden des Fraunhofer-Institutes für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF und der University of New Mexico ist es erstmalig gelungen durch optische Laserkühlung Quarzglas um 67 Kelvin abzukühlen. Möglich wird dieser paradoxe Effekt durch die sogenannte Anti-Stokes-Fluoreszenzkühlung. Dabei wird ein spezielles, hochreines Material durch die Bestrahlung mit Laserlicht angeregt. Durch den Energieunterschied zwischen dem Anregungslaser und der vom Material ausgesendeten Strahlung, der Fluoreszenz, wird dem Material Energie in Form von Wärme entzogen – es wird also abgekühlt. Ein Forschungsteam bestehend aus Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) und der University of New Mexico hat in seinem nun veröffentlichten Paper die Laserkühlung von dotiertem Quarzglas untersucht und entscheidend weiterentwickelt.

Rekordabkühlung mit verbesserten Anregungslasern erreicht

Viele Jahre galt die Laserkühlung von Quarzglas als unmöglich, wie die Forscher betonen. Bereits 2019 gelang es den Experten aus Jena und Albuquerque jedoch erstmals, eine Kühlung durch Laser in mit Ytterbium dotiertem Quarzglas nachzuweisen. Damals betrug die erzielte Abkühlung jedoch nur 0,7 Kelvin unter Raumtemperatur. Um die Abkühlung noch weiter zu treiben, wurde das spezielle Verfahren zur Herstellung des dotierten Materials und dessen genaue Zusammensetzung optimiert, wie es heißt. Für die Messungen, die an der University of New Mexico durchgeführt wurden, wurden außerdem in enger Zusammenarbeit mit den Forschern des IOF die verwendeten Anregungslaser verbessert. Das führte zu einem Rekord! Denn bei der Bestrahlung einer auf gleiche Weise dotierten Stange aus Quarzglas durch einen Anregungslaser mit einer Leistung von 97 Watt und einer Wellenlänge von 1.032 Nanometern konnte man eine Temperatursenkung innerhalb von zwei Minuten um 67 Kelvin unter Raumtemperatur nachweisen.

Die Grenze des Machbaren ist aber noch weiter gesteckt

Durch die jetzige Weiterentwicklung könnten künftig neuartige, extrem stabile Laser und rauscharme Verstärker für die Präzisionsmesstechnik oder für Quantenexperimente entwickelt werden. Das optimierte Verfahren kann zudem die vibrationsfreie Kühlung weiterentwickeln und damit neue Anwendungspotenziale in der Materialanalyse und medizinischen Diagnostik durch Cryo-Mikroskopie und Gamma-Spektroskopie ermöglichen, wie die Forscher sagen. Besonders interessant sei der nun mögliche Einsatz des Materials in Fasern. Denn auf Basis des neuen Verfahrens könnten künftig Hochleistungs-Faserlaser entwickelt werden, die ohne begrenzende Effekte thermischer Instabilität funktionieren. Das neue Verfahren stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Laserkühlung dar und markiert laut den theoretischen Überlegungen noch nicht die größtmögliche Temperaturabsenkung mittels Laserlicht.

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