El enfriamiento anti-Stokes permite aplicar el enfriamiento láser a muestras macroscópicas. La idea del enfriamiento anti-Stokes fue propuesta por primera vez por Pringsheim en 1929. [1] Mientras que el enfriamiento Doppler reduce la temperatura de traslación de una muestra, el enfriamiento anti-Stokes disminuye la excitación vibracional o fonónica de un medio. Esto se logra bombeando una sustancia con un haz láser desde un estado de energía baja a uno más alto con la posterior emisión a un estado de energía aún más baja. La condición principal para un enfriamiento eficiente es que la tasa de emisión anti-Stokes al estado final sea significativamente mayor que la de otros estados, así como la tasa de relajación no radiactiva. Debido a que la energía vibracional o fonónica puede ser muchos órdenes de magnitud mayor que la energía asociada con el ensanchamiento Doppler, la eficiencia de eliminación de calor por fotón láser gastado para el enfriamiento anti-Stokes puede ser correspondientemente mayor que la del enfriamiento Doppler.
El efecto de enfriamiento anti-Stokes fue demostrado por primera vez por Djeu y Whitney en gas CO2. [ 2] El primer enfriamiento anti-Stokes en un sólido fue demostrado por Epstein et al. en 1995, en una muestra de vidrio de fluoruro dopado con iterbio. [3] En 1999, Gosnell et al. enfriaron una fibra de vidrio de fluoruro dopado con iterbio (Yb:ZBLAN) a 236 K. [4] Posteriormente, en 2005, el mismo sólido se enfrió aún más a 208 K. [5] En 2010, se logró un enfriamiento a una temperatura criogénica de 155 K en un cristal de LiYF4. [ 6] En 2013, Melgaard et al. enfriaron Yb:YLF a 119 K. [7] La temperatura más baja alcanzada por enfriamiento anti-Stokes, 90 K, fue demostrada en 2017 por Gragossian et al. en Yb:YLF utilizando una celda Herriott de múltiples pasos para compensar la pequeña probabilidad de absorción del material al darle a un fotón muchas oportunidades de ser absorbido antes de abandonar el experimento. [8]
Las posibles aplicaciones prácticas para el enfriamiento anti-Stokes de sólidos incluyen láseres de estado sólido con equilibrio de radiación y refrigeración óptica sin vibraciones, útiles en aplicaciones como la óptica espacial donde los criógenos conllevarían un peso significativo y una penalización de complejidad. [9] [10]