Genom att dopa aluminiumoxidkristaller med neodymjoner, ingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat ett nytt lasermaterial som kan avge ultrakorta, högeffektpulser – en kombination som potentiellt skulle kunna ge mindre, kraftfullare lasrar med överlägsen värmechockbeständighet, bred inställningsförmåga och höga arbetscykler.

För att uppnå detta framsteg, ingenjörer utarbetade nya materialbearbetningsstrategier för att lösa upp höga koncentrationer av neodymjoner i aluminiumoxidkristaller. Resultatet, ett laserförstärkningsmedium av neodym-aluminiumoxid, är den första inom området lasermaterialforskning. Den har 24 gånger högre värmechockbeständighet än ett av de ledande solid-state laserförstärkningsmaterialen.

Forskningen publicerades denna månad i tidskriften Ljus:Vetenskap och tillämpningar . Teamet kommer också att presentera sitt arbete på SPIE-konferensen 2018, 19 till 23 augusti i San Diego.

Neodym och aluminiumoxid är två av de mest använda komponenterna i dagens toppmoderna solid-state lasermaterial. Neodymjoner, en typ av ljusemitterande atomer, används för att göra högeffektlasrar. Aluminiumoxidkristaller, en typ av värdmaterial för ljusemitterande joner, kan ge lasrar med ultrakorta pulser. Aluminiumoxidkristaller har också fördelen av hög värmechockbeständighet, vilket innebär att de tål snabba temperaturförändringar och höga värmebelastningar.

Dock, att kombinera neodym och aluminium för att göra ett lasermedium är utmanande. Problemet är att de inte är kompatibla i storlek. Aluminiumoxidkristaller är vanligtvis värd för små joner som titan eller krom. Neodymjoner är för stora - de finns normalt inuti en kristall som kallas yttriumaluminiumgranat (YAG).

"Tills nu, det har varit omöjligt att dopa in tillräckliga mängder neodym i en aluminiumoxidmatris. Vi kom på ett sätt att skapa ett lasermaterial av neodym-aluminiumoxid som kombinerar det bästa av två världar:hög effekttäthet, ultrakorta pulser och överlägsen värmechockmotstånd, sa Javier Garay, en maskinteknikprofessor vid UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Stoppa in mer neodym i aluminiumoxid

Nyckeln till att göra neodym-aluminiumoxidhybriden var genom att snabbt värma och kyla de två fasta ämnena tillsammans. Traditionellt, forskare dopar aluminiumoxid genom att smälta det med ett annat material och sedan kyla blandningen långsamt så att den kristalliserar. "Dock, den här processen är för långsam för att fungera med neodymjoner som dopämne – de skulle i princip sparkas ut ur aluminiumoxidvärden när den kristalliserar, " förklarade första författaren Elias Penilla, en postdoktor i Garays forskargrupp. Så hans lösning var att påskynda uppvärmnings- och kylstegen tillräckligt snabbt för att förhindra neodymjoner från att fly.

Den nya processen går ut på att snabbt värma en trycksatt blandning av aluminiumoxid och neodympulver med en hastighet av 300 C per minut tills den når 1, 260 C. Detta är tillräckligt varmt för att "lösa upp" en hög koncentration av neodym i aluminiumoxidgallret. Den fasta lösningen hålls vid den temperaturen i fem minuter och kyls sedan snabbt ned, även med en hastighet av 300 C per minut.

Forskare karakteriserade atomstrukturen hos neodym-aluminiumoxidkristallerna med hjälp av röntgendiffraktion och elektronmikroskopi. För att demonstrera laserförmåga, forskare pumpade optiskt kristallerna med infrarött ljus (806 nm). Materialet avgav förstärkt ljus (förstärkning) vid ett lägre frekvens infrarött ljus vid 1064 nm.

I tester, forskare visade också att neodym-aluminiumoxid har 24 gånger högre värmechockbeständighet än ett av de ledande solid-state laserförstärkningsmaterialen, neodym-YAG. "Detta betyder att vi kan pumpa det här materialet med mer energi innan det spricker, det är därför vi kan använda den för att göra en mer kraftfull laser, sa Garay.

Teamet arbetar med att bygga en laser med sitt nya material. "Det kommer att kräva mer ingenjörsarbete. Våra experiment visar att materialet kommer att fungera som en laser och den grundläggande fysiken finns där, sa Garay.