Dopando cristais de alumina com íons de neodímio, engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram um novo material a laser que é capaz de emitir ultracurtos, pulsos de alta potência - uma combinação que poderia resultar em pulsos menores, lasers mais potentes com resistência superior ao choque térmico, ampla sintonia e ciclos de alta resistência.

Para alcançar este avanço, engenheiros desenvolveram novas estratégias de processamento de materiais para dissolver altas concentrações de íons de neodímio em cristais de alumina. O resultado, um meio de ganho de laser de neodímio-alumina, é a primeira no campo de pesquisa de materiais a laser. Ele tem 24 vezes mais resistência ao choque térmico do que um dos principais materiais de ganho de laser de estado sólido.

A pesquisa foi publicada este mês na revista. Light:Ciência e Aplicações . A equipe também apresentará seu trabalho na Conferência SPIE 2018, 19 a 23 de agosto em San Diego.

Neodímio e alumina são dois dos componentes mais amplamente usados ​​nos materiais a laser de estado-da-arte de última geração. Íons de neodímio, um tipo de átomos emissores de luz, são usados ​​para fazer lasers de alta potência. Cristais de alumina, um tipo de material hospedeiro para íons emissores de luz, pode produzir lasers com pulsos ultracurtos. Os cristais de alumina também têm a vantagem de alta resistência ao choque térmico, o que significa que podem suportar mudanças rápidas de temperatura e altas cargas de calor.

Contudo, combinar neodímio e alumina para fazer um meio laser é um desafio. O problema é que eles são incompatíveis em tamanho. Cristais de alumina normalmente hospedam pequenos íons como titânio ou cromo. Os íons de neodímio são muito grandes - normalmente estão hospedados em um cristal chamado granada de ítrio-alumínio (YAG).

"Até agora, tem sido impossível dopar quantidades suficientes de neodímio em uma matriz de alumina. Descobrimos uma maneira de criar um material a laser de neodímio-alumina que combina o melhor dos dois mundos:alta densidade de potência, pulsos ultracurtos e resistência superior ao choque térmico, "disse Javier Garay, professor de engenharia mecânica na Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs.

Colocando mais neodímio em alumina

A chave para fazer o híbrido de neodímio-alumina era aquecer e resfriar rapidamente os dois sólidos juntos. Tradicionalmente, os pesquisadores dopam a alumina derretendo-a com outro material e depois resfriando a mistura lentamente para que cristalize. "Contudo, este processo é muito lento para funcionar com íons de neodímio como dopante - eles seriam essencialmente expulsos do hospedeiro de alumina conforme ele se cristaliza, "explicou o primeiro autor Elias Penilla, um pesquisador de pós-doutorado no grupo de pesquisa de Garay. Portanto, sua solução foi acelerar as etapas de aquecimento e resfriamento rápido o suficiente para evitar que os íons de neodímio escapassem.

O novo processo envolve o aquecimento rápido de uma mistura pressurizada de alumina e pós de neodímio a uma taxa de 300 C por minuto até atingir 1, 260 C. Isso é quente o suficiente para "dissolver" uma alta concentração de neodímio na rede de alumina. A solução sólida é mantida nessa temperatura por cinco minutos e, em seguida, resfriada rapidamente, também a uma taxa de 300 C por minuto.

Os pesquisadores caracterizaram a estrutura atômica dos cristais de neodímio-alumina usando difração de raios-X e microscopia eletrônica. Para demonstrar a capacidade do laser, os pesquisadores bombearam opticamente os cristais com luz infravermelha (806 nm). O material emitiu luz amplificada (ganho) em uma luz infravermelha de frequência mais baixa em 1064 nm.

Em testes, os pesquisadores também mostraram que o neodímio-alumina tem 24 vezes mais resistência ao choque térmico do que um dos principais materiais de ganho de laser de estado sólido, neodímio-YAG. "Isso significa que podemos bombear esse material com mais energia antes que se quebre, é por isso que podemos usá-lo para fazer um laser mais poderoso, "disse Garay.

A equipe está trabalhando na construção de um laser com seu novo material. "Isso vai exigir mais trabalho de engenharia. Nossos experimentos mostram que o material funcionará como um laser e a física fundamental está toda lá, "disse Garay.