Novo marco no resfriamento a laser:a equipe de pesquisa resfria o vidro de sílica em um recorde de 67 Kelvin

Vareta de vidro dopada com itérbio excitada por laser. Crédito:Fraunhofer IOF

Pela primeira vez, uma equipe de pesquisadores do Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Engenharia de Precisão IOF e da Universidade do Novo México conseguiu resfriar o vidro de sílica em 67 Kelvin por meio do resfriamento óptico a laser. Os investigadores de Jena e Albuquerque publicaram os resultados na revista Optics Express .

Corte, perfuração, soldadura – normalmente associamos a luz laser ao aquecimento de materiais, para, por exemplo, trabalhar com precisão em objetos feitos de metal ou pedra. Mas, em circunstâncias específicas, também é possível resfriar materiais por meio de radiação com luz laser – um efeito que é conhecido pelo resfriamento Doppler de gases. No entanto, a radiação laser também pode causar resfriamento em sólidos.

Este efeito paradoxal torna-se possível através do chamado resfriamento de fluorescência anti-Stokes. Neste processo, um material especial de alta pureza é excitado através da radiação laser. Devido à diferença de energia entre o laser de excitação e a radiação emitida pelo material, ou seja, a fluorescência, a energia é extraída do material na forma de calor – ele é resfriado.

Uma equipe de pesquisa composta por pesquisadores do Fraunhofer IOF e da Universidade do Novo México estudou o resfriamento a laser de vidro de sílica dopado e alcançou um desenvolvimento significativo em seu artigo.

Pesquisadores superam novamente o limite anterior de resfriamento do vidro de sílica

Durante muitos anos, o resfriamento do vidro de sílica foi considerado impossível. Mas em 2019, pesquisadores de Jena e Albuquerque conseguiram provar pela primeira vez o resfriamento a laser de vidro de sílica dopado com itérbio.

Naquela época, o resfriamento atingia apenas 0,7 Kelvin em relação à temperatura ambiente. Para superar o limite de resfriamento anterior, o processo específico de fabricação do material dopado, bem como sua composição exata, foram otimizados. Além disso, os lasers de excitação utilizados para as medições conduzidas pela Universidade do Novo México foram melhorados em estreita colaboração com pesquisadores do Fraunhofer IOF.

Como resultado, os pesquisadores alcançaram agora um novo resfriamento recorde:por meio da radiação de uma haste de sílica dopada com itérbio por um laser de excitação com potência de 97 watts e comprimento de onda de 1.032 nanômetros, os pesquisadores conseguiram provar um redução da temperatura ambiente em 67 Kelvin em dois minutos.

Material semelhante a fibra abre novos potenciais de aplicação

Devido a este novo desenvolvimento, novos lasers extremamente estáveis e amplificadores de baixo ruído para metrologia de precisão ou experimentos quânticos poderão ser desenvolvidos no futuro. Além disso, o processo otimizado pode promover o resfriamento sem vibrações e, assim, abrir novos potenciais para aplicação em análise de materiais e diagnósticos médicos através de criomicroscopia e espectroscopia gama.

O potencial uso do material em fibras é particularmente interessante. No futuro, o novo processo poderá ser usado para desenvolver lasers de fibra de alto desempenho que não precisem lidar com os efeitos limitantes da instabilidade térmica.

O novo processo representa um avanço significativo no resfriamento do laser e, de acordo com as considerações teóricas dos especialistas, ainda não marca a maior redução de temperatura possível com o uso da luz laser.

Mais informações: Brian Topper et al, Laser resfriando sílica dopada com itérbio em 67 K a partir da temperatura ambiente, Optics Express (2023). DOI:10.1364/OE.507657
Informações do diário: Óptica Express

Fornecido por Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF

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