據(jù)悉，加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）研究人員開(kāi)發(fā)出了一種新的激光材料-釹（Nd）摻雜氧化鋁晶體，能夠發(fā)射超短（理論上可低至7.7 fs）、高功率脈沖，可用于生產(chǎn)更小、更強(qiáng)大的激光器，具有卓越的抗熱震性。
為了實(shí)現(xiàn)這一目的，工程師設(shè)計(jì)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(chǎn)生了激光材料研究領(lǐng)域首個(gè)釹氧化鋁激光增益介質(zhì)。
Nd（摻雜劑）和氧化鋁（主體材料）分別是當(dāng)今最先進(jìn)的固態(tài)激光材料中最廣泛使用的兩種元件。然而，結(jié)合Nd和氧化鋁以制備激光介質(zhì)還面臨著很大挑戰(zhàn)：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。
制備釹氧化鋁混合物的關(guān)鍵是對(duì)兩種固體進(jìn)行快速加熱和冷卻。傳統(tǒng)上來(lái)講，研究人員通過(guò)將其與另一種材料進(jìn)行融化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)摻雜氧化鋁，隨后慢慢冷卻該混合物使其結(jié)晶。博士后研究員Elias Penilla表示：“然而，這個(gè)過(guò)程太慢，無(wú)法使用釹離子作為摻雜劑，因?yàn)樗鼈冊(cè)诮Y(jié)晶過(guò)程中往往都會(huì)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℃/分鐘的速率快速加熱氧化鋁和釹粉末的加壓混合物，直至達(dá)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分鐘，然后同樣以300℃/分鐘的速率快速冷卻。研究人員使用X射線衍射和電子顯微鏡對(duì)釹氧化鋁晶體的原子結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)該晶體進(jìn)行了光泵浦。這種材料能發(fā)射出波長(zhǎng)為1064nm的放大光。
通過(guò)測(cè)試，研究人員還表明，釹氧化鋁的抗熱震性能比領(lǐng)先的固態(tài)激光增益材料Nd：YAG高24倍。機(jī)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(lái)制造更強(qiáng)大的激光器。”
