Der Quarzglaslaser kühlt ab, um die Größe aufzuzeichnen

Einem Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik in Deutschland und der University of New Mexico in den USA ist es erstmals gelungen, Quarzglas durch Laserkühlung um 67 Kelvin gegenüber Raumtemperatur abzukühlen. Über die Forschungsergebnisse wird in der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift Optics Express berichtet.
Laser werden normalerweise mit der Erwärmung von Materialien in Verbindung gebracht, beispielsweise mit dem Schneiden, Bohren, Schweißen und der Durchführung von Präzisionsarbeiten an Metall- oder Steinobjekten. In bestimmten Fällen können Materialien aber auch durch Laserstrahlung gekühlt werden, beispielsweise durch die Doppler-Kühlung von Gasen. Allerdings kann Laserstrahlung auch Festkörper kühlen.
Durch die sogenannte Anti-Stokes-Fluoreszenzkühlung wird dieser Kälte-Wärme-Gegeneffekt möglich. Bei diesem Verfahren wird ein spezielles hochreines Material durch Laserstrahlung angeregt. Aufgrund der Energiedifferenz zwischen dem Laserlicht und der vom Material emittierten Strahlung (z. B. Fluoreszenz) entzieht der Laser dem Material Energie in Form von Wärme und das Material kühlt ab.
Jahrelang galt die Laserkühlung von Quarzglas als unmöglich. Doch im Jahr 2019 demonstrierte das Team erstmals, dass mit Ytterbium (Yb) dotiertes Quarzglas durch einen Laser gekühlt werden konnte. Damals konnte es nur um 0,7 Kelvin von der Raumtemperatur abgekühlt werden. Um über die bisherige Kühlgrenze hinauszugehen, optimierten sie den Herstellungsprozess des dotierten Materials.
Dadurch gelang dem Team eine neue rekordverdächtige Kühlung: Durch Bestrahlen von mit Ytterbium dotierten Quarzstäben durch einen Laser mit einer Leistung von 97 Watt und einer Wellenlänge von 1.032 Nanometern wurde die Temperatur um 67 Kelvin gegenüber Raumtemperatur gesenkt.
Dieser neue Fortschritt könnte zur zukünftigen Entwicklung extrem stabiler Laser und rauscharmer Verstärker für Präzisionsmessungen oder Quantenexperimente beitragen. Darüber hinaus könnte der optimierte Prozess die vibrationsfreie Kühlung vorantreiben, was mithilfe der Kryomikroskopie und Gammaenergiespektroskopie in der Materialanalyse und medizinischen Diagnostik nützlich sein könnte.
Das Material hat auch potenzielle Einsatzmöglichkeiten in Fasern. Mit dem neuen Verfahren könnten künftig Hochleistungsfaserlaser entwickelt werden, die den Nachteil der thermischen Instabilität überwinden.