黑科技！科学家研究出新型钕—氧化铝激光材料

加州大学圣迭戈分校的工程师们利用钕离子掺杂进氧化铝晶体中开发出了一种能够发射超短、高功率的脉冲新型激光材料

来源：Elias Penilla

      近日，加州大学圣迭戈分校的工程师们利用钕离子掺杂进氧化铝晶体中开发出了一种能够发射超短、高功率的脉冲新型激光材料，这种材料发射出的激光束不仅具有良好的抗热震性、可调性和占空比而且其体积更小，能量更高。

      为了达到这种水平，工程师们设计了一种新型的材料处理方案，从而可以将高浓度的钕离子溶解到氧化铝晶体中。结果他们研究出了一种钕-氧化铝激光增益介质，这种激光增益介质在激光材料研究领域内是前所未有的发现。而且它的抗热震性是当前最先进固态激光增益材料的24倍。

      这项研究发表在本月的《journal Light: Science & Applications》杂志上。该团队还将会在8月19日至23日在圣地亚哥举行的2018年SPIE会议上展示他们的研究成果。

      钕和氧化铝是当今最先进的固体激光材料中应用最广泛的两种材料。钕离子是一种发光原子，可用于制造高功率激光器。而氧化铝晶体是一种发光离子的主体材料，它可以产生超短脉冲的激光。氧化铝晶体也具有高抗热震性的优点，这意味着它们能够承受温度的快速变化和高负荷的热量。

      然而，将钕和氧化铝结合成一种激光介质是具有挑战性的。主要问题是它们大小不协调。氧化铝晶体通常含有小的离子，如钛或铬。钕离子太大了，它们通常位于钇铝石榴石（YAG）晶体内。

      加州大学圣迭戈分校雅可布工程学院的机械工程教授Javier Garay说：“到目前为止，要在氧化铝基质中加入足够数量的钕是不可能的。但是我们找到了一种制造钕-氧化铝激光材料的新方法。使用此方法制造出来的材料兼具两种材料的优点，既高功率密度、超短脉冲和优越的抗热震性。”

在氧化铝中掺入更多的钕

      制备钕-氧化铝杂化材料的关键是快速加热和冷却这两种固体。在过去，研究人员一般在熔融的氧化铝中加入另一种材料，然后慢慢冷却这种混合物使其结晶。Garay研究小组的博士后研究员，同时也是论文的第一作者Elias Penilla却解释道：“然而，如果利用钕离子作为掺杂剂，那这个过程实在是太慢了，这会导致钕离子在结晶过程中从氧化铝中逸出。”因此，他的解决方案是加快加热和冷却步骤，以防止钕离子逸出。

      研发的新工艺需要将氧化铝和钕粉末的加压混合物快速加热，加热速度为每分钟300摄氏度，直到达到1260摄氏度为止。因为这温度足够高，就可以将高浓度的钕“溶解”到氧化铝晶格中。之后固体溶液需要在这个温度下保持5分钟，然后迅速冷却，冷却速度也为每分钟300摄氏度。

      研究人员利用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。为了证明激光的性能，研究人员用红外光（806 nm）对晶体进行光学泵浦检测。发现该材料会以较低频率的红外光的形式，在1064 nm处发射出放大的光（增益）。

      研究人员在测试过程中表明，钕 - 氧化铝的抗热震性比固态激光增益材料钕-YAG要高24倍。Garay说道：“这意味着我们可以在这种材料出现裂纹之前用更多的能量来泵浦它，而且这也是我们可以用它来制造更强大的激光的原因。”

      这个团队当前在研究如何利用这种新材料来产生激光。“这将需要更多的工程工作加入进来。而且我们的实验表明，该材料是理想的新型激光材料，因为它符合基础物理学的理论。”Garay最后说道。

      这项工作得到了由美国陆军科研办公室管理的高能激光联合技术办公室的支持。