Door aluminiumoxidekristallen te doteren met neodymiumionen, ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben een nieuw lasermateriaal ontwikkeld dat ultrakorte, krachtige pulsen - een combinatie die mogelijk kleinere, krachtigere lasers met superieure thermische schokbestendigheid, brede afstembaarheid en high-duty cycli.

Om deze voorsprong te bereiken, ingenieurs bedachten nieuwe materiaalverwerkingsstrategieën om hoge concentraties neodymiumionen op te lossen in aluminiumoxidekristallen. Het resultaat, een neodymium-alumina laserversterkingsmedium, is de eerste op het gebied van onderzoek naar lasermaterialen. Het heeft een 24 keer hogere thermische schokbestendigheid dan een van de toonaangevende solid-state laserversterkingsmaterialen.

Het onderzoek is deze maand gepubliceerd in het tijdschrift Licht:wetenschap en toepassingen . Het team zal ook hun werk presenteren op de SPIE-conferentie van 2018, 19 tot 23 augustus in San Diego.

Neodymium en aluminiumoxide zijn twee van de meest gebruikte componenten in de moderne solid-state lasermaterialen. Neodymium-ionen, een soort lichtgevende atomen, worden gebruikt om krachtige lasers te maken. Alumina kristallen, een soort gastheermateriaal voor lichtemitterende ionen, kan lasers opleveren met ultrakorte pulsen. Alumina-kristallen hebben ook het voordeel van een hoge thermische schokbestendigheid, wat betekent dat ze bestand zijn tegen snelle veranderingen in temperatuur en hoge belastingen.

Echter, het combineren van neodymium en aluminiumoxide om een ​​lasermedium te maken is een uitdaging. Het probleem is dat ze qua grootte niet compatibel zijn. Aluminakristallen bevatten meestal kleine ionen zoals titanium of chroom. Neodymium-ionen zijn te groot - ze worden normaal gesproken gehost in een kristal dat yttrium-aluminium-granaat (YAG) wordt genoemd.

"Tot nu, het was onmogelijk om voldoende hoeveelheden neodymium in een aluminiumoxidematrix te doteren. We hebben een manier bedacht om een ​​lasermateriaal van neodymium-aluminiumoxide te maken dat het beste van twee werelden combineert:hoge vermogensdichtheid, ultrakorte pulsen en superieure thermische schokbestendigheid, " zei Javier Garay, een professor werktuigbouwkunde aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Meer neodymium in aluminiumoxide proppen

De sleutel tot het maken van de neodymium-aluminahybride was door de twee vaste stoffen snel samen te verwarmen en af ​​te koelen. traditioneel, onderzoekers dopen aluminiumoxide door het te smelten met een ander materiaal en het mengsel vervolgens langzaam af te koelen zodat het kristalliseert. "Echter, dit proces is te traag om te werken met neodymium-ionen als doteringsmiddel - ze zouden in wezen uit de aluminiumoxide-gastheer worden geschopt terwijl deze kristalliseert, " legde eerste auteur Elias Penilla uit, een postdoctoraal onderzoeker in de onderzoeksgroep van Garay. Dus zijn oplossing was om de verwarmings- en afkoelingsstappen snel genoeg te versnellen om te voorkomen dat neodymium-ionen ontsnappen.

Het nieuwe proces omvat het snel verhitten van een onder druk staand mengsel van aluminiumoxide en neodymiumpoeders met een snelheid van 300 ° C per minuut totdat het 1 bereikt. 260 C. Dit is heet genoeg om een ​​hoge concentratie neodymium in het aluminiumoxiderooster te "oplossen". De vaste oplossing wordt vijf minuten op die temperatuur gehouden en vervolgens snel afgekoeld, ook met een snelheid van 300 C per minuut.

Onderzoekers karakteriseerden de atomaire structuur van de neodymium-aluminiumoxidekristallen met behulp van röntgendiffractie en elektronenmicroscopie. Om laservermogen aan te tonen, onderzoekers pompten de kristallen optisch met infrarood licht (806 nm). Het materiaal straalde versterkt licht (versterking) uit bij een lagere frequentie infrarood licht bij 1064 nm.

Bij testen, onderzoekers toonden ook aan dat neodymium-alumina 24 keer hogere thermische schokbestendigheid heeft dan een van de toonaangevende solid-state laserversterkingsmaterialen, neodymium-YAG. "Dit betekent dat we dit materiaal met meer energie kunnen verpompen voordat het barst, daarom kunnen we het gebruiken om een ​​krachtigere laser te maken, ’ zei Garay.

Het team werkt aan het bouwen van een laser met hun nieuwe materiaal. "Dat zal meer technisch werk vergen. Onze experimenten laten zien dat het materiaal als een laser zal werken en de fundamentele fysica is er allemaal, ’ zei Garay.