Meilenstein in der Laserkühlung

Schneiden, bohren, schweißen – mit Laserlicht verbinden man das Aufheizen von Materialien, um zum Beispiel Objekte aus Metall oder Gestein präzise zu bearbeiten. Unter bestimmten Umständen ist es jedoch auch möglich, Materialien durch die Bestrahlung mit Laserlicht abzukühlen – ein Effekt, der zur Dopplerkühlung von Gasen genutzt wird. Aber auch in Festkörpern kann es zu einer Kühlung durch Laserbestrahlung kommen. Möglich wird dieser paradoxe Effekt durch die Anti-Stokes-Fluoreszenzkühlung. Bei diesem Verfahren wird ein spezielles, hochreines Material durch die Bestrahlung mit Laserlicht angeregt. Durch den Energieunterschied zwischen dem Anregungslaser und der vom Material ausgesendeten Fluoreszenz-Strahlung wird dem Material Energie in Form von Wärme entzogen – es wird gekühlt. Ein Forschungsteam des Fraunhofer-Instituts für angewandte Optik und Feinmechanik und der University of New Mexico hat jetzt die Laserkühlung von dotiertem Quarzglas untersucht und entscheidend weiterentwickelt.

Viele Jahre galt die Laserkühlung von Quarzglas als unmöglich. Bereits 2019 gelang es Forschern der beiden Institute 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 diese bisherige Kühlgrenze zu überwinden, wurde das spezielle Verfahren zur Herstellung des dotierten Materials und dessen genaue Zusammensetzung optimiert. Für die Messungen, die an der University of New Mexico durchgeführt wurden, wurden außerdem in enger Zusammenarbeit mit den Forschern des Fraunhofer-IOF die verwendeten Anregungslaser verbessert.

Dabei ist den Wissenschaftlern eine neue Rekordkühlung gelungen: Bei der Bestrahlung einer mit Ytterbium dotierten Stange aus Quarzglas durch einen Anregungslaser mit einer Leistung von 97 Watt und einer Wellenlänge von 1032 Nanometern konnten die Forscher eine Temperatursenkung innerhalb von zwei Minuten um 67 Kelvin unter Raumtemperatur nachweisen.

Durch die jetzige Weiterentwicklung können künftig neuartige, extrem stabile Laser und rauscharme Verstärker für die Präzisionsmesstechnik oder Quantenexperimente entwickelt werden. Das optimierte Verfahren kann zudem die vibrationsfreie Kühlung weiterentwickeln und damit neue Anwendungspotenziale in der Materialanalyse und medizinischen Diagnostik durch Kryo-Mikroskopie und Gamma-Spektroskopie ermöglichen.

Besonders interessant ist der nun mögliche Einsatz des Materials in Fasern. Auf Basis des neuen Verfahrens könnten künftig Hochleistungs-Faserlaser entwickelt werden, die ohne begrenzende Effekte thermischer Instabilität auskommen.

Das neue Verfahren stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Laserkühlung dar, markiert aber laut theoretischen Überlegungen von Experten noch nicht die größtmögliche Temperaturabsenkung mittels Laserlicht.

Fh.-IOF / RK