快速加热冷却-科学家研发全新激光增益材料

2018-07-24 11:29

据悉，加州大学圣地亚哥分校（UCSD）研究人员开发出了一种新的激光材料-钕（Nd）掺杂氧化铝晶体，能够发射超短（理论上可低至7.7 fs）、高功率脉冲，可用于生产更小、更强大的激光器，具有卓越的抗热震性。

为了实现这一目的，工程师设计了新的材料加工策略，将高浓度的钕离子溶解到氧化铝晶体中。最终产生了激光材料研究领域首个钕氧化铝激光增益介质。

Nd（掺杂剂）和氧化铝（主体材料）分别是当今最先进的固态激光材料中最广泛使用的两种元件。然而，结合Nd和氧化铝以制备激光介质还面临着很大挑战：它们的大小不相容。氧化铝晶体通常含有钛或铬等小离子，而Nd离子体积太大。

制备钕氧化铝混合物的关键是对两种固体进行快速加热和冷却。传统上来讲，研究人员通过将其与另一种材料进行融化进而实现掺杂氧化铝，随后慢慢冷却该混合物使其结晶。博士后研究员Elias Penilla表示：“然而，这个过程太慢，无法使用钕离子作为掺杂剂，因为它们在结晶过程中往往都会被从氧化铝主体剥离。”所以他的解决方案是加快加热和冷却步骤，以防止钕离子逃逸。

该新方法包括以300℃/分钟的速率快速加热氧化铝和钕粉末的加压混合物，直至达到1260℃。这种温度足以将高浓度的钕溶解到氧化铝晶格中。将固体溶体在该温度下保持5分钟，然后同样以300℃/分钟的速率快速冷却。研究人员使用X射线衍射和电子显微镜对钕氧化铝晶体的原子结构进行了表征。为了展示其激光能力，研究人员还用806 nm的红外光对该晶体进行了光泵浦。这种材料能发射出波长为1064nm的放大光。

通过测试，研究人员还表明，钕氧化铝的抗热震性能比领先的固态激光增益材料Nd：YAG高24倍。机械工程教授Javier Garay指出：“这意味着我们可以在该材料断裂之前用更多能量泵送这种材料，从而可以用它来制造更强大的激光器。”

该团队目前正在研究通过这种新材料开发新的激光器。