材料加工工藝改進，工程師有望創造出新的激光材料

新型釹-氧化鋁激光增益介質

加州大學聖地亞哥分校的工程師，通過在氧化鋁晶體摻雜釹離子，開發出一種能夠發射超短大功率脈衝的新型激光材料。這種摻雜材料可以製備更小、功率更大的激光器，並具有出色的抗熱震、寬調諧性和高負載循環性能。

為了實現這一改進，工程師設計了新的材料加工工藝，將高濃度的釹離子溶解到氧化鋁晶體中。結果得到了釹-氧化鋁激光增益介質，在激光材料研究領域中尚屬首次。改材料的抗熱衝擊性能比性能最好的固態激光增益材料高24倍。

研究成果發表在《Light: Science & Applications》雜誌上。

釹和氧化鋁是當今最先進固態激光材料中使用最廣泛的兩種材料。釹離子是一種發光原子，用於製造大功率激光器。氧化鋁晶體是一種用於發光離子的基質材料，可以產生具備超短脈衝的激光。氧化鋁晶體還具有高抗熱衝擊性能的優點，這意味著它們可以承受溫度的快速變化和高熱負荷。

然而，如何將釹和氧化鋁結合以製備激光增益介質卻是一項挑戰。問題是釹離子尺寸較大，難以摻入氧化鋁晶格位，氧化鋁晶體通常摻入鈦或鉻等小離子。尺寸較大的釹離子通常摻雜如釔鋁石榴石（YAG）的晶格內。

加州大學聖地亞哥分校雅各布工程學院（Jacobs School of Engineering）的機械工程系教授，Javier Garay說到：「到目前為止，仍無法將足量的釹摻入氧化鋁基質中。我們想出了一種創造性製備釹-氧化鋁激光材料的方法，該材料結合了兩者的優點：高功率密度、超短脈衝和卓越的抗熱衝擊性。」

釹-氧化鋁激光材料（左）40W仍未開裂；釹-YGA（右）25W下開裂

製備釹-氧化鋁混合物的關鍵是通過快速加熱和冷卻兩種固體。傳統上，研究人員通過將氧化鋁和摻雜材料共同熔融，然後緩慢冷卻混合物使其結晶。然而，「這個過程對於釹摻雜氧化鋁來說太慢，結晶時釹基本上會從氧化鋁晶體中析出。」Garay教授課題組中的博士後，論文的第一作者Elias Penilla說到。所以他的解決方案是加快加熱和冷卻步驟，以防止釹離子析出。

新工藝以300℃/min的速度快速加熱氧化鋁和釹粉末的加壓混合物，直至達到1260℃。足以將高濃度的釹「溶解」到氧化鋁晶格中。固溶體在1260℃下保溫5min，然後以300℃/min的速度快速冷卻。

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徵。為了展示激光能力，研究人員用806 nm的紅外光作為泵浦光源。該材料對波長1064nm的紅外光成功實現光學增益。

該團隊正在研究用這種新材料製備激光器。「這將需要更多的工程方面工作。我們的實驗表明，這種材料具備激光增益效果。」

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