Al dopar 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 de alta potencia. Una combinación que podría producir láseres más pequeños y potentes con resistencia al choque térmico y ciclos de alto rendimiento.
Para conseguir estas avances, los ingenieros idearon nuevas estrategias de procesamiento de materiales para disolver altas concentraciones de iones de neodimio-alúmina en cristales de alúmina. El resultado, el primer láser desarrollado a partir de neodimio-alúmina, con una resistencia al choque térmico 24 veces mayor. La investigación fue publicada este mes en la revista científica Light: Science & Applications.
El neodimio y la alúmina son dos de los componentes más utilizados en materiales modernos de los láser de estado sólido. Los iones de neodimio, un tipo de átomos emisores de luz, se utilizan para fabricar láseres de alta potencia. Los cristales alúmina, un material que sirve de huésped para los iones de neodimio que emiten luz, pueden 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, combinar neodimio y alúmina para hacer un láser es un desafío. El problema es su incompatibilidad en tamaños. Los cristales de alúmina suelen contener pequeños iones como el titanio o el cromo. Los iones de neodimio, en cambio, son demasiado grandes: normalmente están alojados dentro de un cristal denominado como granate de itrio y aluminio (YAG).
«Hasta ahora, ha sido imposible inyectar cantidades suficientes de neodimio en una matriz de alúmina. Descubrimos una forma de crear un material láser de neodimio-alúmina que combine lo mejor de ambos mundos: alta densidad de potencia, pulsos ultracortos y superior resistencia al choque térmico «, dijo Javier Garay, profesor de ingeniería mecánica en la Escuela de Ingeniería UC Jacobs Jacobs.
Nuevas estrategias en el proceso de materiales para inyectar más neodimio en alúmina
La clave para hacer el híbrido de neodimio-alúmina estuvo en calentar y enfriar rápidamente los dos sólidos de forma conjunta. Tradicionalmente, los investigadores dopan la alúmina fundiendola con otro material para luego enfriar la mezcla lentamente mientras se cristaliza. “Sin embargo, este proceso es demasiado lento para trabajar con los iones de neodimio como dopante: esencialmente serían expulsados de la alúmina mientras se cristaliza” explicó Elias Penilla, investigador postdoctoral en el grupo de investigación de Garay. Así que la solución fue acelerar las fases de calentamiento y enfriamiento lo suficientemente rápido como para evitar que los iones de neodimio escapen.
El nuevo proceso implica calentar rápidamente una mezcla presurizada de polvos de alúmina y neodimio a una velocidad de 300 °C por minuto hasta que alcanza 1.260 °C. Esto es lo suficientemente caliente como para «disolver» una alta concentración de neodimio en la red de alúmina. La solución sólida 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) a frecuencia más baja de luz infrarroja de 1.064 nm.
En las pruebas, los investigadores también demostraron que la alúmina de neodimio tiene una resistencia al choque térmico 24 veces mayor que uno de los principales materiales de ganancia de láser en estado sólido, el neodimio YAG.
Créditos portada: Elias Penilla
