Laserkühlung in Quarzglas

Die Universität von New Mexiko konnte mit der Unterstützung des Fraunhofer IOF zeigen, dass in Zukunft die Liste der Kühl- und Kältemittel, um ein weiteres ergänzt werden muss: Optisch gekühltes Quarzglas.

© Fraunhofer IOF
Mit Infrarotlicht gepumpter laseraktiver Glastab (Yttbium-dotiert).
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Die Forschung zur Herstellung des Materials fand in der Abteilung »Laser- und Fasertechnologie« statt (Dr. T Schreiber, Dr. N. Haarlammert).

Normalerweise erhitzt sich ein Material, wenn es mit Laserlicht bestrahlt wird. Allerdings kann es unter bestimmten Umständen vorkommen, dass das Material abkühlt. Dieser Kühlungseffekt wird im Glas, wie auch allgemein in Festkörpern, mit Laserlicht dadurch erreicht, dass einzelne Ionen innerhalb des zu kühlenden Materials zur Fluoreszenz angeregt werden. Falls die mittlere Wellenlänge der Fluoreszenz kleiner als die anregende Wellenlänge ist, wird mit der Lichtemission auch Energie, und damit Wärme, aus dem Material heraus transportiert.

Unseren Kolleginnen und Kollegen aus den USA ist es erstmalig gelungen, die Temperatur in Quarzglas mit Hilfe eines Lasers zu senken. Obwohl Quarzglas aufgrund seiner außergewöhnlich guten Eigenschaften überall in der Optik Verwendung findet, entzog es sich einer Kühlung in bisherigen Experimenten aufgrund sehr kleiner, aber leider für Laserkühlung zu hohen Verlusten.

Für ihre ersten Versuchsreihe, Quarzglas mit Laserlicht zu kühlen, brauchten die Forschenden des „Center for High Technology Materials“ der Universität von New Mexiko (USA) hochreines, mit Laserionen dotiertes Quarzglas. Am Fraunhofer IOF werden dafür Prozesse verwendet, die sonst zur Herstellung von Ytterbium-dotierten Glasfasern für Faserlasersysteme genutzt werden. Auch dort kommt es auf geringe Verluste an, um höchste Lichtleistungen zu erzeugen – ein Glücksfall für beide Forschungsgebiete.

Frau Dr. N. Haarlammert, verantwortlich für die Fasertechnologie und damit der Glasherstellung erklärt: „Während des MCVD-Herstellungsprozesses wird ein Röhrchen aus Quarzglas mit mehreren Brennern gleichmäßig erhitzt, während ein Gasgemisch durchgeleitet wird. Aufgrund der enormen Hitze kommt es zu einer chemischen Reaktion der Gase mit dem Glasrohr. Die Gase, die auch die Laserionen enthalten, werden zu Glasstaub umgewandelt und letztendlich zu Glas verschmolzen.“

Zusammenfassen ergänzt Herr Dr. T. Schreiber, Abteilungsleiter Laser- und Fasertechnologie: „Wir sind sehr dankbar für die Arbeit unserer Kollegen an der Universität von New Mexico. Die Realisierung der Laserkühlung zeigt eindrucksvoll, wie gut und mit welcher Reinheit der Prozess am Fraunhofer IOF Jena erforscht und etabliert wurde.“

In Zukunft werden Fortschritte bei der Kühlung von Festkörperlasern möglicherweise zu einer volloptischen, kompakten und vibrationsfreien Kryokühlung führen, und als Anwendung u.a. das thermische Rauschen in halbleiterbasierten Ein-Photonen-Detektoren oder Quanteninformationsverarbeitungsschaltungen reduzieren.

Mobini, E., Rostami, S., Peysokhan, M. et al. Laser cooling of ytterbium-doped silica glass. Commun Phys 3, 134 (2020).