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快速加熱冷卻-科學家研發全新激光增益材料

發布時間:2020-03-15  瀏覽:

據悉,加州大學聖地亞哥分校(UCSD)研究人員開發出了一種新的激光材料-釹(Nd)摻雜氧化鋁晶體,能夠發射超短(理論上可低至7.7 fs)、高功率脈衝,可用於生產更小、更強大的激光器,具有卓越的抗熱震性。

為了實現這一目的,工程師設計了新的材料加工策略,將高濃度的釹離子溶解到氧化鋁晶體中。最終產生了激光材料研究領域首個釹氧化鋁激光增益介質。

Nd(摻雜劑)和氧化鋁(主體材料)分別是當今最先進的固態激光材料中最廣泛使用的兩種元件。然而,結合Nd和氧化鋁以製備激光介質還麵臨著很大挑戰:它們的大小不相容。氧化鋁晶體通常含有鈦或鉻等小離子,而Nd離子體積太大。

製備釹氧化鋁混合物的關鍵是對兩種固體進行快速加熱和冷卻。傳統上來講,研究人員通過將其與另一種材料進行融化進而實現摻雜氧化鋁,隨後慢慢冷卻該混合物使其結晶。博士後研究員Elias Penilla表示:“然而,這個過程太慢,無法使用釹離子作為摻雜劑,因為它們在結晶過程中往往都會被從氧化鋁主體剝離。”所以他的解決方案是加快加熱和冷卻步驟,以防止釹離子逃逸。

該新方法包括以300℃/分鍾的速率快速加熱氧化鋁和釹粉末的加壓混合物,直至達到1260℃。這種溫度足以將高濃度的釹溶解到氧化鋁晶格中。將固體溶體在該溫度下保持5分鍾,然後同樣以300℃/分鍾的速率快速冷卻。研究人員使用X射線衍射和電子顯微鏡對釹氧化鋁晶體的原子結構進行了表征。為了展示其激光能力,研究人員還用806 nm的紅外光對該晶體進行了光泵浦。這種材料能發射出波長為1064nm的放大光。

通過測試,研究人員還表明,釹氧化鋁的抗熱震性能比領先的固態激光增益材料Nd:YAG高24倍。機械工程教授Javier Garay指出:“這意味著我們可以在該材料斷裂之前用更多能量泵送這種材料,從而可以用它來製造更強大的激光器。”

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