Лазерный материал сочетает высокую мощность и превосходную термостойкость

Лазерные технологии, Новости науки и техники Комментариев к записи Лазерный материал сочетает высокую мощность и превосходную термостойкость нет

Благодаря легированию кристаллов оксида алюминия с неодимовыми ионами инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD, Сан-Диего, Калифорния) разработали новый лазерный материал, способный излучать ультракороткие импульсы большой мощности — комбинацию, которая потенциально может создать меньшие, более мощные лазеры с превосходной стойкостью к термическому удару, широкой перестраиваемостью и высоким коэффициентом заполнения рабочего цикла.

Для достижения этого прогресса инженеры разработали новые технологии обработки материалов для растворения высоких концентраций ионов неодима в кристаллах оксида алюминия Al2O3. Результат — неодимово-оксидалюминиевая лазерная среда с лазерным излучением обладает повышенной стойкостью к тепловому удару в 24 раза боллее, чем один из ведущих полупроводниковых материалов для лазерного усиления.

Рис. Показан материал для получения лазера на основе неодима и оксида алюминия. (Предоставлено: Элиас Пенилла)

Рис. Показан материал для получения лазера на основе неодима и оксида алюминия. (Предоставлено: Элиас Пенилла)

Неодимий, используемый для создания мощных лазеров, и оксид алюминия, материал-хозяин для светоизлучающих ионов, являются двумя из наиболее широко используемых компонентов в твердотельных лазерных материалах. Однако комбинирование неодима и оксида алюминия для создания среды генерации является сложной задачей. Проблема в том, что они несовместимы по размеру. Кристаллы оксида алюминия обычно содержат небольшие ионы, такие как титан или хром. Ионы неодима слишком велики — они обычно размещаются внутри кристалла, называемого иттриевым алюминиевым гранатом (YAG).

«До сих пор невозможно было доставлять достаточное количество неодима в матрицу из оксида алюминия. Мы выяснили способ создания неодимово-оксид-алюминиевого лазерного материала, который сочетает в себе лучшее из обоих миров: высокую плотность мощности, ультракороткие импульсы и превосходную стойкость к термическим нагрузкам «, говорит Хавьер Гарай, профессор машиностроения в инженерной школе UCSD Jacobs.

Ключом к получению гибрида неодима и оксида алюминия было быстрое нагревание и охлаждение двух твердых веществ вместе. Традиционно исследователи легируют оксид алюминия, плавя его другим материалом, а затем медленно охлаждают смесь, чтобы она кристаллизовалась. «Однако этот процесс слишком медленный, чтобы работать с ионами неодима в качестве легирующей добавки — их по существу выгоняют из оксид-алюминиевой матрицы, когда она кристаллизуется», — объясняет первый автор Элиас Пенилла, докторант-исследователь в исследовательской группе Гарая. Поэтому его решение заключалось в ускорении ступеней нагрева и охлаждения достаточно быстро, чтобы предотвратить утечку ионов неодима.
Новый процесс включает быстрое нагревание смеси оксидов алюминия и неодима под давлением со скоростью 300ºC в минуту, пока она не достигнет 1260ºC. Это достаточно горячо, чтобы растворить высокую концентрацию неодима в решетке оксида алюминия. Твердый раствор выдерживают при этой температуре в течение пяти минут, а затем быстро охлаждают, также со скоростью 300 ° С в минуту.

Исследователи характеризовали атомную структуру кристаллов неодима и оксида алюминия с помощью рентгеновской дифракции и электронной микроскопии. Чтобы продемонстрировать способность генерации, исследователи оптически накачали кристаллы инфракрасным (ИК) излучением (806 нм). Материал излучал усиленный свет (усиление) при ИК-накачке с более низкой частотой при 1064 нм.

Рис. Неодим-оксид алюминия (слева) не обнаруживает признаков трещин при 40 Вт при использовании оптической накачки при 808 нм, а неодим-YAG (справа) трещит при 25 Вт. (Courtesy: Elias Penilla)

Рис. Неодим-оксид алюминия (слева) не обнаруживает признаков трещин при 40 Вт при использовании оптической накачки при 808 нм, а неодим-YAG (справа) трещит при 25 Вт. (Courtesy: Elias Penilla)

В тестах исследователи также показали, что неодим-оксид алюминия имеет в 24 раза большую устойчивость к тепловому удару, чем один из ведущих полупроводниковых материалов с лазером, неодим-YAG. «Это означает, что мы можем накачивать этот материал с большей энергией, прежде чем он треснет, поэтому мы можем использовать его для создания более мощного лазера», — говорит Гарай.
Команда работает над созданием лазера с новым материалом.

«Это потребует больше инженерных работ. Наши эксперименты показывают, что материал будет работать как лазер, а фундаментальная физика там есть», — говорит Гарай.
Исследование, которое было поддержано Отделом высоких энергий лазерного соединения, находящимся в ведении Управления исследований армии, было опубликовано в журнале Light: Science & Applications

Перевод: https://www.industrial-lasers.com/articles/2018/07/laser-material-combines-high-power-and-superior-thermal-shock-resistance.html

Рекомендуем для Вас

Leave a comment

You must be logged in to post a comment.


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.rf.mail@yandex.ru

Back to Top