Materialebehandlingstricks gør det muligt for ingeniører at skabe nyt lasermateriale

Ved doping af aluminiumoxidkrystaller med neodymioner, ingeniører ved University of California San Diego har udviklet et nyt lasermateriale, der er i stand til at udsende ultrakort, højeffektimpulser-en kombination, der potentielt kan give mindre, mere kraftfulde lasere med overlegen termisk stødmodstand, bred tunerbarhed og høje duty cyklusser.

For at opnå dette fremskridt, ingeniører udtænkte nye materialebehandlingsstrategier for at opløse høje koncentrationer af neodymioner i aluminiumoxidkrystaller. Resultatet, et neodym-aluminiumoxid-laserforstærkningsmedium, er den første inden for forskning i lasermaterialer. Den har 24 gange højere termisk stødmodstand end et af de førende solid-state laserforstærkningsmaterialer.

Forskningen blev offentliggjort i denne måned i tidsskriftet Lys:Videnskab og applikationer . Holdet vil også præsentere deres arbejde på SPIE-konferencen 2018, 19. til 23. august i San Diego.

Neodym og aluminiumoxid er to af de mest udbredte komponenter i nutidens avancerede solid-state lasermaterialer. Neodym ioner, en type lysemitterende atomer, bruges til at lave lasere med høj effekt. Alumina krystaller, en type værtsmateriale til lysemitterende ioner, kan give lasere med ultrakorte pulser. Aluminiumoxidkrystaller har også fordelen ved høj termisk stødmodstand, hvilket betyder, at de kan modstå hurtige temperaturændringer og høje varmebelastninger.

Imidlertid, at kombinere neodym og aluminiumoxid for at lave et lasermedie er udfordrende. Problemet er, at de er uforenelige i størrelse. Aluminiumoxidkrystaller er typisk vært for små ioner som titanium eller chrom. Neodymioner er for store - de er normalt hostet inde i en krystal kaldet yttrium aluminium granat (YAG).

"Indtil nu, det har været umuligt at dosere tilstrækkelige mængder neodym i en aluminiumoxidmatrix. Vi fandt ud af en måde at skabe et neodym-aluminiumoxid-lasermateriale, der kombinerer det bedste fra begge verdener:høj effekttæthed, ultrakorte pulser og overlegen termisk stødmodstand, " sagde Javier Garay, en maskinteknisk professor ved UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Proppe mere neodym i aluminiumoxid

Nøglen til fremstilling af neodym-aluminiumoxidhybriden var ved hurtig opvarmning og afkøling af de to faste stoffer sammen. Traditionelt, forskere doper aluminiumoxid ved at smelte det med et andet materiale og derefter afkøle blandingen langsomt, så den krystalliserer. "Imidlertid, denne proces er for langsom til at arbejde med neodymioner som dopingmiddel - de ville i det væsentlige blive smidt ud af aluminiumoxidværten, når den krystalliserer, " forklarede førsteforfatter Elias Penilla, en postdoc i Garays forskningsgruppe. Så hans løsning var at fremskynde opvarmnings- og afkølingstrinene hurtigt nok til at forhindre neodymioner i at undslippe.

Den nye proces involverer en hurtig opvarmning af en blanding af aluminiumoxid og neodympulver under tryk med en hastighed på 300 C pr. minut, indtil den når 1, 260 C. Dette er varmt nok til at "opløse" en høj koncentration af neodym i aluminiumoxidgitteret. Den faste opløsning holdes ved denne temperatur i fem minutter og afkøles derefter hurtigt, også med en hastighed på 300 C i minuttet.

Forskere karakteriserede atomstrukturen af ​​neodym-aluminiumoxidkrystallerne ved hjælp af røntgendiffraktion og elektronmikroskopi. For at demonstrere laserkapacitet, forskere pumpede krystallerne optisk med infrarødt lys (806 nm). Materialet udsendte forstærket lys (forstærkning) ved et lavere frekvens infrarødt lys ved 1064 nm.

I test, forskere viste også, at neodym-aluminiumoxid har 24 gange højere termisk stødmodstand end et af de førende solid-state laserforstærkningsmaterialer, neodym-YAG. "Det betyder, at vi kan pumpe dette materiale med mere energi, før det revner, Derfor kan vi bruge det til at lave en mere kraftfuld laser, " sagde Garay.

Holdet arbejder på at bygge en laser med deres nye materiale. "Det vil kræve mere ingeniørarbejde. Vores eksperimenter viser, at materialet vil fungere som en laser, og den grundlæggende fysik er der, " sagde Garay.