Al dopar los 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 pulsos ultracortos y de alta potencia, una combinación que podría producir láseres más pequeños y potentescon resistencia superior al choque térmico, amplia capacidad de ajuste 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 láser de neodimio-alúmina, es el primero en el campo de la investigación de materiales con láser. Tiene 24 vecesmayor resistencia al choque térmico 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, del 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. Los 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 los 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, la combinación de neodimio y alúmina para hacer un medio láser es un desafío. El problema es que son incompatibles en tamaño. Los cristales de alúmina típicamente alojan iones pequeños como titanio o cromo. Los iones de neodimio son demasiado grandes, normalmente están alojados dentro de uncristal llamado granate de itrio y aluminio YAG.
"Hasta ahora, ha sido imposible dopar cantidades suficientes de neodimio en una matriz de alúmina. Hemos descubierto una forma de crear un material láser de neodimio-alúmina que combine lo mejor de ambos mundos: alta densidad de potencia, pulsos ultracortosy una resistencia superior al choque térmico ", dijo Javier Garay, profesor de ingeniería mecánica en la Escuela de Ingeniería Jacobs de la Universidad de California en San Diego.
Metiendo más neodimio en alúmina
La clave para hacer el híbrido de neodimio y alúmina fue calentar y enfriar rápidamente los dos sólidos juntos. Tradicionalmente, los investigadores dopan la alúmina fundiéndola con otro material y luego enfriando la mezcla lentamente para que cristalice ". Sin embargo, este proceso esdemasiado lento para trabajar con los iones de neodimio como dopantes: esencialmente serían expulsados del huésped de alúmina a medida que cristaliza ", explicó el primer autor Elias Penilla, investigador postdoctoral en el grupo de investigación de Garay. Entonces, su solución fue acelerar el calentamientoy pasos de enfriamiento lo suficientemente rápidos como para evitar que escapen los iones de neodimio.
El nuevo proceso implica calentar rápidamente una mezcla presurizada de alúmina y polvos de neodimio a una velocidad de 300 C por minuto hasta que alcance los 1.260 C. Esto es lo suficientemente caliente como para "disolver" una alta concentración de neodimio en la red de alúmina. El sólidola solución 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 de láser, los investigadores bombearon ópticamente los cristales con luz infrarroja 806 nm. El material emitió luz amplificada ganancia aluz infrarroja de baja frecuencia a 1064 nm.
En las pruebas, los investigadores también mostraron que la neodimio-alúmina tiene una resistencia al choque térmico 24 veces mayor que uno de los principales materiales de ganancia de láser de estado sólido, el 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.
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Tecnología Conjunta de Láser de Alta Energía administrada por la Oficina de Investigación del Ejército.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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