CeMiLAP

Ceramiche microstrutturate trasparenti per applicazioni laser di alta potenza: sviluppo e validazione

Responsabile: Jan Hostaša

Personale coinvolto: Valentina Biasini, Andreana Piancastelli, Laura Esposito

Data inizio: 09/03/2015
Durata: 36 mesi
Finanziamento totale: 314 649 €
Bando/Action: Piano Nazionale della Ricerca Militare (PNRM)
Consorzio: CNR-ISTEC, CNR-INO

I materiali drogati con Yb³⁺ sono fondamentali per la produzione di laser di alta potenza e ad alta efficienza pompati a diodo, con emissione nel vicino infrarosso (tipicamente nella regione 1010-1080 nm). Questo è dovuto in primo luogo alla particolare struttura dei livelli energetici dell’ itterbio, che grazie al basso difetto quantico permette di ottenere efficienze più elevate in confronto ad esempio ai laser a neodimio. Inoltre, la presenza di una ampia banda di assorbimento permette il pompaggio con i laser a semiconduttore in modo più efficiente e stabile rispetto al già citato neodimio.

Per di più, l’uso di materiali ospiti di tipo ceramico policristallino permette di realizzare elementi attivi di maggiori dimensioni rispetto ai cristalli singoli, e offre la possibilità di ottimizzare le caratteristiche del materiale.
A livello internazionale il materiale laser ceramico che ha raggiunto il miglior grado di maturità è l’Yb:YAG, con prestazioni laser ormai analoghe al corrispondente materiale monocristallino. L’interesse della ricerca scientifica e tecnologica si sta quindi orientando a nuovi materiali, tra cui in particolare i cosiddetti sesquiossidi quali ossido di lutezio (Lu₂O₃) e ossido di scandio (Sc₂O₃) che per le loro proprietà termomeccaniche appaiono molto promettenti per la realizzazione di sorgenti laser ad alta potenza.

Il progetto CeMiLAP si colloca in questo contesto ed è diretto alla messa a punto delle tecnologie di produzione di materiali ceramici trasparenti di varie composizioni (YAG, Lu₂O₃ e Sc₂O₃) drogati con Yb³⁺, che permettano di realizzare elementi di grandi dimensioni per applicazioni laser, con distribuzioni di drogaggio non uniforme e controllato, e geometrie e strutture selezionate.

In particolare, nel corso del progetto vengono perseguiti i seguenti obbiettivi:

• messa a punto ed adattamento delle tecniche di produzione già sviluppate per lo YAG alla produzione di ceramiche trasparenti con composizione Lu₂O₃ e Sc₂O₃, con drogaggio Yb³⁺.
• messa a punto di tecniche per la fabbricazione di campioni ceramici con distribuzione non uniforme di drogaggio, ottimizzata per la gestione del carico termico in specifiche geometrie di pompaggio e di raffreddamento.
• messa a punto delle metodologie che consentano lo scale-up dimensionale delle tecniche di produzione attualmente impiegate, e la realizzazione di campioni di grandi dimensioni necessari allo sviluppo di sistemi laser di alta potenza.

Pubblicazioni

• G. Toci, J. Hostaša, B. Patrizi, V. Biasini, A. Pirri, A. Piancastelli, M. Vannini.: Fabrication and laser performances of Yb:Sc₂O₃ transparent ceramics from different combination of vacuum sintering and hot isostatic pressing conditions. Journal of the European Ceramic Society 40 (2020) 881-886.
• J. Hostaša, A. Piancastelli, G. Toci, M. Vannini, V. Biasini.: Transparent layered YAG ceramics with structured Yb doping produced via tape casting. Optical Materials 65 (2017) 21-27.
• J. Hostaša, V. Biasini, A. Piancastelli, M. Vannini, G. Toci.: Layered Yb:YAG ceramics produced by two different methods: processing, characterization, and comparison. Optical Engineering 55 (2016) 087104.
• J. Hostaša, L. Esposito; V. Biasini; A. Piancastelli; M. Vannini; G. Toci.: Layered Yb:YAG ceramics produced by two different methods: processing, characterization and comparison. SPIE Proceedings 9726 (2016) 97261M-1.
• G. Toci, A. Lapucci, M. Ciofini, L. Esposito, J. Hostaša, L. A. Gizzi, L. Labate, P. Ferrara, A. Pirri, M. Vannini.: Laser and optical properties of Yb:YAG ceramics with layered doping distribution: design, characterization and evaluation of different production processes. SPIE Proceedings 9726 (2016) 97261P-1.