Die Laserkühlung von Festkörpern durch Anti-Stokes-Fluoreszenz ist eine einzigartige Technologie, die berührungslose, kompakte, leichte und vibrationsfreie Kühlsysteme ermöglicht (sogenannte optische Festkörper-Kryokühler). Spezielle Kristalle werden durch die Laserstrahlung gekühlt, können Wärme von an ihnen befestigten Materialien aufnehmen und diese sogar auf kryogene Temperaturen (T < 120 K) abkühlen. Diese Eigenschaften eignen sich besonders für Kühlsysteme, die in Weltraumsatelliten eingesetzt werden. Seit 2020 arbeitet die IKZ-Nachwuchsgruppe "Fluoridkristalle für die Photonik" unter der Leitung von Dr. Hiroki Tanaka und dem Doktoranden Stefan Püschel an diesem Thema mit einer interdisziplinären Herangehensweise, die sowohl die Kristallzüchtung als auch die Charakterisierung der anwendungsspezifischen Eigenschaften umfasst.
Bislang haben Wissenschaftler hauptsächlich Yb-dotiertes YLiF4 (YLF) verwendet. Die Einführung neuer Materialien ist in diesem Zusammenhang eine Herausforderung, da brauchbare Kristalle praktisch frei von Defekten sein müssen, sowohl in Bezug auf strukturelle Unvollkommenheiten als auch auf Verunreinigungen. Diese Defekte würden zu unerwünschter parasitärer Absorption und interner Erwärmung führen, die die Laserkühlung stark einschränken oder sogar verhindern.
Das IKZ-Team hat Yb:YLF-Kristalle gezüchtet, die zu den qualitativ Besten gehören, die jemals für die Laserkühlung von Festkörpern berichtet wurden. Darüber hinaus ist es uns gelungen, hochreine Yb-dotierte KY3F10 (KYF)-Kristalle herzustellen, die Yb:YLF deutlich übertreffen können. Die materialspezifische Leistungszahl für die Laserkühlung ist bei 100 K etwa eine Größenordnung höher. Damit könnten bisher nicht erreichbare niedrige Temperaturen jenseits des wichtigen Meilensteins von 77 K, dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff, erzielt werden. Zum Vergleich: Die mit Yb:YLF erreichbare Temperatur war bisher auf etwa 90 K begrenzt. Die niedrigere erreichbare Temperatur wird ein entscheidender Schritt sein, um diese Technologie zu einer kommerziellen Anwendung zu bringen.
Mit unserem neuen Material Yb:KYF, das nach der Czochralski-Methode gezüchtet wird, haben wir eine effiziente optische Festkörper-Kryokühlung mit Hochleistungslasern demonstriert, die den derzeitigen Stand der Technik übertrifft. Die Ergebnisse, die auch Vergleichsmessungen an ultrareinem Yb:YLF enthalten, werden im Dezember auf der in Barcelona stattfindenden Konferenz „Advanced Solid State Lasers“ [1] vorgestellt.
Weitere Informationen:
Hiroki Tanaka (Abteilung Oxide und Fluoride)
[1] Stefan Püschel, “Laser Cooling of an Yb3+-doped Cubic KY3F10 Single Crystal”, ATh1A.3 – presented on Thursday, 15 December, 08:30 - 08:45 am CET.
