Laserkühlung hochreiner seltenerddotierter Fluoridkristalle

• Antragsteller: Dr. Hiroki Tanaka, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 520253663

Die Laserkühlung optisch aktiver Festkörper basiert auf Anregung mit Licht einer Wellenlänge, die länger ist als die mittlere Wellenlänge der emittierten Fluoreszenz. Ermöglicht durch Anti-Stokes Prozesse liegt die mittlere Energie der emittierten Photonen höher als diejenige der eingestrahlten: Das bestrahlte Medium wird kälter. ‘Festkörper-Laserkühlung’ ist vibrationsfrei und benötigt keine beweglichen Teile oder Kühlflüssigkeiten. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise und stellt eine interessante Alternative gegenüber flüssigem Stickstoff oder thermoelektrischer Kühlung dar. Perspektivisch ermöglicht dieses Prinzip sogar ‘athermische’ Laser, die sich selbst bei höchsten Leistungen nicht aufheizen. Ziel dieses Projekts ist es, den Einfluss von Verunreinigungen auf die Laserkühlung zu verstehen, um Kühleffizienzen zu verbessern und die durch Flüssigstickstoffkühlung erzielbare Temperatur zu unterschreiten. Für die bisher erfolgreichsten Materialien zur Laserkühlung, Ytterbium-dotiertes LiYF4 (Yb:YLF) und LiLuF4 (Yb:LLF), sollen kristallzüchterische Verfahren zur Verbesserung der Reinheit entwickelt werden. Dieses Projekt umfasst Forschung aus den Bereichen der Kristallzüchtung, der chemischen Analyse sowie der Spektroskopie und schließlich der Photonik. Das Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) ist führend im Bereich der Kristalltechnologie und bietet mit dem Zentrum für Lasermaterialien modernste Ausstattung und Expertise für optische Spektroskopie und Laserexperimente. Damit bietet es ein ideales Umfeld für die vorgeschlagene interdisziplinäre Forschungsarbeit. Der Antragsteller verfügt über fundierte Kenntnisse auf dem Gebiet der Festkörperlaser und hat große Erfahrung mit der Züchtung von Fluoridkristallen. Somit ist er ideal für diese interdisziplinäre Forschung geeignet. In diesem Projekt wird der Einfluss von Seltenerd- und Übergangsmetall-Verunreinigungen auf die Laserkühlung in Yb:YLF und Yb:LLF untersucht. Dazu werden gezielt mit diesen Elementen verunreinigte Yb:YLF- und Yb:LLF-Kristalle nach der Czochralski- und der Bridgman-Methode gezüchtet und die temperaturabhängige Wechselwirkung dieser Verunreinigungen mit Yb3+-Ionen spektroskopisch analysiert. Zudem wird die Segregation von Übergangsmetall-Ionen während des vertikalen Bridgman-Wachstums erforscht. Schließlich wird der Einfluss der Verunreinigungen auf den Laserkühlungsprozess in einem Aufbau zur Laserkühlung direkt gemessen. Zunächst werden die Kristalle mit Hilfe der laserinduzierten thermischen Modulationsspektroskopie hinsichtlich ihrer probenspezifischen Laserkühlungs-Parameter bewertet, im Weiteren wird unter Hochleistungslaseranregung die jeweils minimal erzielbare Temperatur evaluiert. Insbesondere die Rolle der Verunreinigungen ist derzeit weitgehend ungeklärt, die Ergebnisse dieses Grundlagenforschungsprojekts wären somit von entscheidender Bedeutung für den weiteren Fortschritt und der Festkörper-Laserkühlung und deren Weg in die Anwendung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen