Drogando cristalli di allumina con ioni di neodimio, gli ingegneri dell'Università della California a San Diego hanno sviluppato un nuovo materiale laser in grado di emettere ultracorti, impulsi ad alta potenza, una combinazione che potrebbe potenzialmente produrre più piccoli, laser più potenti con una resistenza agli shock termici superiore, ampia sintonizzabilità e cicli ad alto carico.

Per ottenere questo progresso, gli ingegneri hanno ideato nuove strategie di lavorazione dei materiali per dissolvere alte concentrazioni di ioni neodimio in cristalli di allumina. Il risultato, un mezzo di guadagno laser al neodimio-allumina, è la prima nel campo della ricerca sui materiali laser. Ha una resistenza agli shock termici 24 volte superiore rispetto a uno dei principali materiali di guadagno laser a stato solido.

La ricerca è stata pubblicata questo mese sulla rivista Luce:scienza e applicazioni . Il team presenterà anche il proprio lavoro alla Conferenza SPIE 2018, Dal 19 al 23 agosto a San Diego.

Il neodimio e l'allumina sono due dei componenti più utilizzati negli odierni materiali laser a stato solido all'avanguardia. Ioni di neodimio, un tipo di atomi che emettono luce, vengono utilizzati per realizzare laser ad alta potenza. Cristalli di allumina, un tipo di materiale ospite per ioni emettitori di luce, può produrre laser con impulsi ultracorti. I cristalli di allumina hanno anche il vantaggio di un'elevata resistenza agli shock termici, il che significa che possono resistere a rapidi cambiamenti di temperatura e ad alti carichi di calore.

Però, combinare neodimio e allumina per creare un mezzo laser è impegnativo. Il problema è che sono incompatibili nelle dimensioni. I cristalli di allumina in genere ospitano piccoli ioni come il titanio o il cromo. Gli ioni di neodimio sono troppo grandi:normalmente sono ospitati all'interno di un cristallo chiamato granato di ittrio e alluminio (YAG).

"Fino ad ora, è stato impossibile drogare quantità sufficienti di neodimio in una matrice di allumina. Abbiamo trovato un modo per creare un materiale laser al neodimio-allumina che combina il meglio di entrambi i mondi:alta densità di potenza, impulsi ultrabrevi e resistenza agli shock termici superiore, "ha detto Javier Garay, un professore di ingegneria meccanica presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Riempire più neodimio nell'allumina

La chiave per realizzare l'ibrido neodimio-allumina era riscaldare e raffreddare rapidamente i due solidi insieme. Tradizionalmente, i ricercatori drogano l'allumina fondendola con un altro materiale e poi raffreddando lentamente la miscela in modo che si cristallizzi. "Però, questo processo è troppo lento per funzionare con ioni di neodimio come drogante:verrebbero essenzialmente espulsi dall'ospite di allumina mentre si cristallizza, " ha spiegato il primo autore Elias Penilla, un ricercatore post-dottorato nel gruppo di ricerca di Garay. Quindi la sua soluzione è stata quella di accelerare le fasi di riscaldamento e raffreddamento abbastanza velocemente da impedire la fuoriuscita di ioni di neodimio.

Il nuovo processo prevede il riscaldamento rapido di una miscela pressurizzata di polveri di allumina e neodimio a una velocità di 300 C al minuto fino a raggiungere 1, 260 C. Questo è abbastanza caldo da "sciogliere" un'alta concentrazione di neodimio nel reticolo di allumina. La soluzione solida viene mantenuta a quella temperatura per cinque minuti e poi raffreddata rapidamente, anche ad una velocità di 300 C al minuto.

I ricercatori hanno caratterizzato la struttura atomica dei cristalli di neodimio-allumina utilizzando la diffrazione dei raggi X e la microscopia elettronica. Per dimostrare la capacità laser, i ricercatori hanno pompato otticamente i cristalli con luce infrarossa (806 nm). Il materiale emetteva luce amplificata (guadagno) a una luce infrarossa a frequenza inferiore a 1064 nm.

Nei test, i ricercatori hanno anche dimostrato che il neodimio-allumina ha una resistenza agli shock termici 24 volte superiore rispetto a uno dei principali materiali di guadagno laser a stato solido, neodimio-YAG. "Ciò significa che possiamo pompare questo materiale con più energia prima che si spezzi, ecco perché possiamo usarlo per creare un laser più potente, " disse Garay.

Il team sta lavorando alla costruzione di un laser con il nuovo materiale. "Ci vorrà più lavoro di ingegneria. I nostri esperimenti mostrano che il materiale funzionerà come un laser e che la fisica fondamentale è tutta lì, " disse Garay.