耐热冲击性能优异的新型掺钕氧化铝晶体

如图所示，可以观察到钕-氧化铝（左）优异的抗热冲击性，其在40W功率下应用808nm的光泵浦时未显示产生裂纹的迹象。而钕-YAG（右）在25W时发生断裂。
来源：Elias Penilla

      通过掺杂带有钕离子的氧化铝晶体，加州大学圣地亚哥分校的工程师已经研发出一种能够发射超短、高功率脉冲的新型激光材料。带有钕离子的氧化铝晶体具有出色的抗热冲击性、宽可调性和高占空比，有助于体型更小、功能更为强大的激光器制备。

       为了实现这一目标，工程师们设计了新的材料加工策略，旨在将高浓度的钕离子溶解到氧化铝晶体中。《钕-氧化铝激光增益介质》是激光材料研究领域的首项研究成果，同时该研究还发表在杂志《Light：Science＆Applications》上。其耐热冲击性能比领先的固态激光增益材料之一还要高24倍。

      钕和氧化铝是当今最先进的固态激光材料中使用最为广泛的两种元件原材料。发光钕离子被用来制造高功率激光器。而氧化铝晶体是一种用于发光离子的主体材料，可以产生具有超短脉冲的激光。此外，氧化铝晶体耐热冲击性能尤其出色，这意味着它可承受温度的快速变化和高热负荷的冲击。

      然而，将钕和氧化铝结合以制备激光介质极具挑战性。问题在于其尺寸大小不相容。氧化铝晶体通常含有钛或铬等小离子。而钕离子太大，因此通常位于称为钇铝石榴石（YAG）的晶体内。

       “到目前为止，不可能将足够量的钕掺入至氧化铝基质中。然而我们想出了一种巧妙的方法来制造钕-氧化铝激光材料。这种方法结合了二者优点：高功率密度、超短脉冲和卓越的耐热冲击性能，”加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院机械工程系教授Javier Garay这样说道。

      制备钕-氧化铝混合物的关键是快速加热和冷却这两种固体。传统来说，研究人员通过用另一种材料熔化氧化铝来掺杂氧化铝，然后缓慢冷却混合物使其结晶。“然而，这个过程不仅太慢，而且不能使用钕离子作为掺杂剂。它们在结晶时基本上都会从氧化铝主体中析出，”论文第一作者、Garay研究小组的博士后研究员Elias Penilla解释道。他的解决方案是加快加热和冷却步骤，防止钕离子逃逸。

      新方法包括以300℃/min的速度快速加热氧化铝和钕粉末的加压混合物，直到混合物所处温度达到1260℃。这足以将高浓度的钕“溶解”至氧化铝晶格中。将固溶体在该温度下保持5min，然后以300℃/min的冷却速率快速冷却。

      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。为了展示其激光能力，他们用红外光（806nm）光学泵浦晶体，发现材料以1064nm的较低频率发射放大光（增益）。

      在该测试中，研究人员还表明：钕-氧化铝的抗热震性比领先的固态激光增益材料之一——钕-YAG还要高24倍。“这意味着我们可以在产出裂纹之前用更高的能量泵送这种材料。这就是为什么我们可以用它来制造功能更为强大的激光器，”Garay说道。
该团队现正致力于利用该新型材料制造激光器。“我们需要去做更多的准备工作。实验表明：这种材料可以像激光那样工作，毕竟基础物理学就在那里，”Garay说道。