Dopando cristales de alúmina con iones de neodimio, Los ingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado un nuevo material láser que es capaz de emitir ultracortos, pulsos de alta potencia:una combinación que potencialmente podría producir láseres más potentes con una resistencia superior al choque térmico, amplia capacidad de sintonización y ciclos de alta resistencia.

Para lograr este avance, Los ingenieros idearon nuevas estrategias de procesamiento de materiales para disolver altas concentraciones de iones de neodimio en cristales de alúmina. El resultado, un medio de ganancia de láser de neodimio-alúmina, es el primero en el campo de la investigación de materiales láser. Tiene una resistencia al choque térmico 24 veces mayor que uno de los principales materiales de ganancia de láser de estado sólido.

La investigación fue publicada este mes en la revista Luz:ciencia y aplicaciones . El equipo también presentará su trabajo en la Conferencia SPIE 2018, 19 al 23 de agosto en San Diego.

El neodimio y la alúmina son dos de los componentes más utilizados en los materiales láser de estado sólido de última generación. Iones de neodimio, un tipo de átomos emisores de luz, se utilizan para fabricar láseres de alta potencia. Cristales de alúmina, un tipo de material huésped para iones emisores de luz, puede producir láseres con pulsos ultracortos. Los cristales de alúmina también tienen la ventaja de una alta resistencia al choque térmico, lo que significa que pueden soportar cambios rápidos de temperatura y altas cargas de calor.

Sin embargo, combinar neodimio y alúmina para hacer un medio láser es un desafío. El problema es que son incompatibles en tamaño. Los cristales de alúmina suelen albergar iones pequeños como el titanio o el cromo. Los iones de neodimio son demasiado grandes; normalmente están alojados dentro de un cristal llamado granate de itrio y aluminio (YAG).

"Hasta ahora, ha sido imposible dopar cantidades suficientes de neodimio en una matriz de alúmina. Descubrimos una manera de crear un material láser de neodimio-alúmina que combina lo mejor de ambos mundos:alta densidad de potencia, pulsos ultracortos y resistencia superior al choque térmico, "dijo Javier Garay, profesor de ingeniería mecánica en la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego.

Metiendo más neodimio en alúmina

La clave para hacer el híbrido de neodimio-alúmina fue calentar y enfriar rápidamente los dos sólidos juntos. Tradicionalmente, Los investigadores doblan la alúmina fundiéndola con otro material y luego enfriando la mezcla lentamente para que cristalice. "Sin embargo, este proceso es demasiado lento para trabajar con iones de neodimio como dopante; esencialmente, serían expulsados ​​del anfitrión de alúmina a medida que cristaliza. "explicó el primer autor Elías Penilla, investigador postdoctoral en el grupo de investigación de Garay. Entonces, su solución fue acelerar los pasos de calentamiento y enfriamiento lo suficientemente rápido para evitar que se escapen los iones de neodimio.

El nuevo proceso implica calentar rápidamente una mezcla presurizada de polvos de alúmina y neodimio a una velocidad de 300 C por minuto hasta que alcanza 1, 260 C. Esto es lo suficientemente caliente como para "disolver" una alta concentración de neodimio en la red de alúmina. La solución sólida se mantiene a esa temperatura durante cinco minutos y luego se enfría rápidamente. también a una velocidad de 300 C por minuto.

Los investigadores caracterizaron la estructura atómica de los cristales de neodimio-alúmina mediante difracción de rayos X y microscopía electrónica. Para demostrar la capacidad láser, Los investigadores bombearon ópticamente los cristales con luz infrarroja (806 nm). El material emitió luz amplificada (ganancia) a una luz infrarroja de menor frecuencia a 1064 nm.

En pruebas, Los investigadores también demostraron que el neodimio-alúmina tiene una resistencia al choque térmico 24 veces mayor que uno de los principales materiales de ganancia de láser de estado sólido. neodimio-YAG. "Esto significa que podemos bombear este material con más energía antes de que se agriete, por eso podemos usarlo para hacer un láser más potente, "dijo Garay.

El equipo está trabajando en la construcción de un láser con su nuevo material. "Eso requerirá más trabajo de ingeniería. Nuestros experimentos muestran que el material funcionará como un láser y que la física fundamental está ahí". "dijo Garay.