加州大学圣迭戈分校(UCSD)的工程师们将钕离子掺进氧化铝晶体中，开发出了一种用于产生超短超强脉冲激光的新型材料。研究人员称这种组合很可能用于制造更小、更强的激光器，且该激光器会具有更好的抗热震性能、更宽的调谐范围和高占空比等优点。

盘状钕-氧化铝激光增益介质

钕离子和氧化铝晶体是当今固态激光材料中使用最广泛的两种组分。钕离子用来制造高功率的激光器，氧化铝晶体则可以产生超短脉冲激光。氧化铝晶体还具有高抗热震性的优点，这意味着它可以承受温度的快速变化和大量的热量。

然而，将钕离子和氧化铝结合成一种激光增益介质非常有挑战性。问题在于它们的大小不相容，氧化铝晶体通常含有像钛或铬这样的小离子，而钕离子太大了，研究人员通常将钕离子掺杂在钇铝石榴石(YAG)晶体中。

钕-氧化铝晶体（左）在808 nm波长40 W激光的抽运下毫发无伤而Nd:YAG晶体（右）在25 W时已经开裂

工程师们发明了新的材料处理策略，将高浓度的钕离子溶解到氧化铝晶体中。研发的新工艺包括将氧化铝和钕粉末的混合物加压并以每分钟300°C的速度快速加热至1260°C，因为这时温度足够高，可以将高浓度的钕“溶解”到氧化铝晶格中。之后固体溶液在这个温度下保持5分钟，然后迅速冷却，冷却速度也为每分钟300°C。

在测试中，研究人员还发现，钕-氧化铝的抗热震性能是目前最先进的固态激光增益材料Nd:YAG的24倍。这意味着研究人员可以在其损伤之前用更多能量抽运这种材料，这也是研究人员认为可以用它来制造更强大的激光器的原因所在。

本研究发表在本月的Light：Science & Applications期刊上，并将于8月19日至23日在圣地亚哥举行的2018年SPIE 光子学会议上展示。该工作得到了由美国陆军科研办公室管理的高能激光联合技术办公室（HEL-JTO）的支持。

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