Лазер із кварцового скла охолоджується для рекордної величини

Групі дослідників з Інституту прикладної оптики та точного машинобудування Фраунгофера в Німеччині та Університету Нью-Мексико в США вперше вдалося охолодити кварцове скло на 67 кельвінів від кімнатної температури за допомогою лазерного охолодження. Про результати дослідження повідомляється в останньому номері журналу Optics Express.
Люди зазвичай асоціюють лазери з нагріванням матеріалів, таких як різання, свердління, зварювання та виконання точних робіт з металевими чи кам’яними предметами. Але в окремих випадках матеріали також можна охолоджувати лазерним випромінюванням, наприклад, доплерівським охолодженням газів. Однак лазерне випромінювання також може охолоджувати тверді тіла.
За допомогою так званого антистоксового флуоресцентного охолодження цей протилежний ефект холоду-тепла стає можливим. У цьому процесі спеціальний високочистий матеріал збуджується лазерним випромінюванням. Завдяки різниці енергії між лазерним світлом і випромінюванням, яке випромінює матеріал (тобто флуоресценція), лазер витягує енергію з матеріалу у вигляді тепла, і матеріал охолоджується.
Протягом багатьох років лазерне охолодження кварцового скла вважалося неможливим. Але у 2019 році команда вперше продемонструвала, що леговане ітербієм (Yb) кварцове скло можна охолоджувати лазером. У той час його можна було охолодити лише на 0,7 Кельвіна від кімнатної температури. Щоб вийти за межі попереднього охолодження, вони оптимізували процес підготовки легованого матеріалу.
У результаті команда досягла нового рекордного охолодження: випромінюючи леговані ітербієм кварцові стрижні через лазер із потужністю 97 Вт і довжиною хвилі 1032 нанометра, температура була знижена на 67 Кельвінів від кімнатної.
Цей новий прогрес може сприяти майбутній розробці надзвичайно стабільних лазерів і малошумних підсилювачів для точних вимірювань або квантових експериментів. Крім того, оптимізований процес може сприяти охолодженню без вібрації, що може бути корисним для аналізу матеріалів і медичної діагностики за допомогою кріогенної мікроскопії та гамма-енергетичної спектроскопії.
Матеріал також потенційно може використовуватися у волокнах. У майбутньому новий процес можна буде використовувати для розробки високоефективних волоконних лазерів, які подолають недолік термічної нестабільності.