En dopant des cristaux d'alumine avec des ions néodyme, ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont développé un nouveau matériau laser capable d'émettre des ultra-courtes, impulsions de haute puissance - une combinaison qui pourrait potentiellement produire des impulsions plus petites, des lasers plus puissants avec une résistance supérieure aux chocs thermiques, large accordabilité et cycles de service élevés.

Pour réaliser cette avance, les ingénieurs ont conçu de nouvelles stratégies de traitement des matériaux pour dissoudre des concentrations élevées d'ions néodyme dans des cristaux d'alumine. Le résultat, un milieu de gain laser néodyme-alumine, est le premier dans le domaine de la recherche sur les matériaux laser. Il a une résistance aux chocs thermiques 24 fois supérieure à celle de l'un des principaux matériaux de gain laser à semi-conducteurs.

La recherche a été publiée ce mois-ci dans la revue Lumière :science et applications . L'équipe présentera également ses travaux à la conférence SPIE 2018, Du 19 au 23 août à San Diego.

Le néodyme et l'alumine sont deux des composants les plus largement utilisés dans les matériaux laser à l'état solide de pointe d'aujourd'hui. ions néodyme, un type d'atomes électroluminescents, sont utilisés pour fabriquer des lasers de haute puissance. Cristaux d'alumine, un type de matériau hôte pour les ions électroluminescents, peut produire des lasers avec des impulsions ultra-courtes. Les cristaux d'alumine présentent également l'avantage d'une haute résistance aux chocs thermiques, ce qui signifie qu'ils peuvent résister à des changements rapides de température et à des charges de chaleur élevées.

Cependant, combiner le néodyme et l'alumine pour fabriquer un milieu laser est un défi. Le problème est qu'ils sont incompatibles en taille. Les cristaux d'alumine hébergent généralement de petits ions comme le titane ou le chrome. Les ions néodyme sont trop gros - ils sont normalement hébergés à l'intérieur d'un cristal appelé grenat d'yttrium et d'aluminium (YAG).

"Jusqu'à maintenant, il a été impossible de doper des quantités suffisantes de néodyme dans une matrice d'alumine. Nous avons trouvé un moyen de créer un matériau laser néodyme-alumine qui combine le meilleur des deux mondes :haute densité de puissance, impulsions ultra-courtes et résistance supérieure aux chocs thermiques, " dit Javier Garay, professeur de génie mécanique à l'UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Mettre plus de néodyme dans l'alumine

La clé pour fabriquer l'hybride néodyme-alumine était de chauffer et de refroidir rapidement les deux solides ensemble. Traditionnellement, les chercheurs dopent l'alumine en la faisant fondre avec un autre matériau puis en refroidissant lentement le mélange pour qu'il cristallise. "Toutefois, ce processus est trop lent pour fonctionner avec des ions néodyme comme dopant - ils seraient essentiellement expulsés de l'hôte d'alumine au fur et à mesure de sa cristallisation, " a expliqué le premier auteur Elias Penilla, chercheur postdoctoral dans le groupe de recherche de Garay. Sa solution consistait donc à accélérer les étapes de chauffage et de refroidissement suffisamment rapidement pour empêcher les ions néodyme de s'échapper.

Le nouveau procédé consiste à chauffer rapidement un mélange sous pression de poudres d'alumine et de néodyme à une vitesse de 300 C par minute jusqu'à ce qu'il atteigne 1, 260 C. C'est assez chaud pour "dissoudre" une forte concentration de néodyme dans le réseau d'alumine. La solution solide est maintenue à cette température pendant cinq minutes puis refroidie rapidement, également à un taux de 300 C par minute.

Les chercheurs ont caractérisé la structure atomique des cristaux de néodyme-alumine en utilisant la diffraction des rayons X et la microscopie électronique. Pour démontrer la capacité laser, les chercheurs ont pompé optiquement les cristaux avec de la lumière infrarouge (806 nm). Le matériau a émis une lumière amplifiée (gain) à une lumière infrarouge de fréquence inférieure à 1064 nm.

Dans les essais, les chercheurs ont également montré que le néodyme-alumine a une résistance aux chocs thermiques 24 fois supérieure à celle de l'un des principaux matériaux de gain laser à l'état solide, néodyme-YAG. "Cela signifie que nous pouvons pomper ce matériau avec plus d'énergie avant qu'il ne se fissure, c'est pourquoi nous pouvons l'utiliser pour fabriquer un laser plus puissant, " dit Garay.

L'équipe travaille sur la construction d'un laser avec leur nouveau matériau. "Cela demandera plus de travail d'ingénierie. Nos expériences montrent que le matériau fonctionnera comme un laser et que la physique fondamentale est là, " dit Garay.