• raffreddamento ottico
• LiYF4
• laser cooling
• YLF

In questo lavoro di tesi sono presenti tutte le fasi per la realizzazione e studio del cristallo LiYF4 (YLF) drogato con Itterbio (Yb) e Tulio (Tm), a partire dalla crescita, taglio, orientazione fino a giungere alla caratterizzazione in termini di efficienza di cooling. Inoltre, viene fornita una prova sperimentale che il Tulio costituisca un valido supporto al processo di cooling determinando un redshift e un innalzamento della curva \eta_{cool}.
Facciamo un passo indietro per introdurre brevemente gli strumenti per comprendere gli obiettivi raggiunti.
Il raffreddamento ottico di cristalli si basa sul fenomeno della fluorescenza anti-Stokes, e i primi a dimostrare che si potesse realizzare sperimentalmente furono Epstein e i suoi collaboratori nel 1995. A partire da tale data si sono susseguiti numerosi esperimenti che hanno portato alla creazione di un solid-state cryocooler basato su un cristallo YLF: 10% Yb in grado di raggiungere la temperatura record di 93 K.
Entrando nel merito è possibile formalizzare la teoria del raffreddamento ottico attraverso un modello a due livelli. Lo ione Yb3+ all’interno della matrice cristallina YLF presenta due manifold con i relativi sotto-livelli Stark, etichettatti da E1 a E7, originati dall’interazione col campo cristallino (spiegazione nel capitolo 1). Si immagini di avere a disposizione un sistema di pompaggio ottico; la radiazione incidente sintonizzata con il salto E4-E5 promuove un elettrone al sotto-livello E5 del manifold {_^2}F_\sfrac{5}{2} che per mezzo dell’assistenza fononica raggiunge il livello E6 per poi decadere radiativamente fino al livello E2 del manifold {_^2}F_\sfrac{7}{2}. In base a questo schema l’energia posseduta dal fotone emesso è maggiore dell’energia del fotone incidente; l’energia mancante proviene dal cristallo, dai fononi, comportando così il raffreddamento del campione. Reiterando il ciclo suddetto il campione si raffredda sempre di più fino a raggiungere uno stato stazionario con temperatura finale T_f. Siamo pronti quindi a definire l’efficienza di cooling, essa è il rapporto fra la potenza di cooling (data dalla differenza di energia incidente e uscente dal campione) e la potenza assorbita dal campione. La scrittura di tale formula passa attraverso le ipotesi per le quali il carico conduttivo e convettivo siano trascurabili. Sperimentalmente si traduce nell’adottare una camera da vuoto e un supporto, fibre ottiche, a bassa conducibilità termica. Tutti gli ulteriori dettagli sull’apparato sperimentale sono illustrati nei capitoli 4 e 6 della tesi. Quanto detto finora è vero per campioni che presentano ben precise caratteristiche spettroscopiche perciò una parte del lavoro di tesi è volto alla caratterizzazione del materiale cresciuto, in particolare i campioni realizzati e studiati sono tre:
YLF: 10% Yb
YLF: 10% Yb-40ppm Tm
YLF: 10% Yb-100ppm Tm
Una volta ottenuta la curva dell’efficienza di cooling, primo obiettivo del lavoro di tesi, si è passati al secondo obiettivo, ossia lo studio dei meccanismi cooperativi fra Tm e Yb fornendo una prova sperimentale di come vengono popolati i livelli del Tulio relativi al processo di cooling. Il co-drogaggio comporta un redshift e allo stesso tempo l’innalzamento della curva di efficienza del 30%.
I tre campioni sono stati cresciuti nei laboratori di Pisa, New Materials for Laser Applications (NMLA); la crescita è stata impostata seguendo il metodo Czochralski, illustrato insieme al funzionamento del forno nel capitolo 3 della tesi.
In ultima analisi si riportano i principali motivi d’interesse legati allo sviluppo e avanzamento del laser cooling:
Il sistema è vibration-free, non ci sono parti meccaniche in movimento
Bassa suscettibilità a interferenze elettromagnetiche
Tempo di vita superiore a {10}^4 anni (per il cristallo)
Compattezza della cavità
Ottimo sostituto dei TEC nell’intervallo di temperature fra 80K e 180K
Tutte le caratteristiche citate sono particolarmente appetibili per applicazioni spaziali. La sfida attuale resta quella di superare la barriera degli 80K.
Infine, l’organizzazione dei capitoli rispecchia le fasi di realizzazione e studio del campione, in particolare nel capitolo 1 vengono presentati tutti gli aspetti teorici d’interesse al cooling in merito alle terre rare; nel capitolo 2 si ha la teoria del raffreddamento ottico di cristalli, fulcro del lavoro di tesi. Nel capitolo 3 viene presentata la tecnica di crescita e la preparazione dei campioni. Il capitolo 4 è dedicato alla descrizione dell’apparato sperimentale e infine nei capitoli 5 e 6 vengono presentati ed elaborati i risultati delle misure spettroscopiche, di cooling e di modulazione.