Ученые из МФТИ и их коллеги создали новый компактный и мощный лазер на основе керамики – это устройство будут использовать в качестве малотравматичного и дешевого лазерного скальпеля для хирургических операций, а также для резки и гравировки композитных материалов. Результаты работы опубликованы в журнале Optics Letters.
На сегодняшний день лазеры используются повсеместно: в бытовых электронных устройствах, в медицине, металлургии, метрологии, метеорологии и многих других областях. Лазерный луч возникает за счет эффекта вынужденного излучения в так называемой активной среде, роль которой могут играть газы, жидкости, кристаллы или стекла, от параметров активной среды зависит длина волны лазера, эффективность преобразования энергии в излучение.
Иван Обронов, научный сотрудник МФТИ, и его коллеги из Института прикладной физики РАН и компании «ИРЭ-Полюс» в качестве активной среды лазера использовали керамику, полученную из соединений редкоземельных элементов – оксида лютеция с добавлением ионов тулия (Tm3+:Lu2O3). Именно ионы тулия и обеспечивали способность керамики генерировать лазерное излучение.
«Керамика – перспективный тип среды для лазеров, поскольку ее получают спеканием порошков в поликристаллическую массу. В производстве она дешевле и проще, чем монокристаллы, что крайне важно для массового внедрения. Кроме того, химический состав керамики легко менять, меняя и свойства лазера», — поясняет Обронов.
Созданный ими лазер преобразует энергию в излучение с эффективностью более 50%, при том, что другие варианты твердотельных лазеров имеют эффективность в среднем около 20%, и генерирует инфракрасное излучение с длиной волны около 2 микрон (1966 и 2064 нанометров). Именно длина волны делает этот лазер незаменимым для медицинских целей.
«Излучение наиболее распространенных инфракрасных лазеров, с длиной волны около 1 микрона, имеет малое поглощение и очень глубоко проникает в биоткани, что приводит к коагуляции (слипание мелких частей, например — свертывание крови) и появлению значительных областей “омертвевшей” ткани. Хирургический скальпель должен «работать» на строго определенную глубину, поэтому используются двухмикронные лазеры, которые не повреждают нижележащие ткани», — говорит Обронов.
По его словам, обычно медики используют двухмикронные гольмиевые лазеры с ламповой накачкой, однако эти устройства очень дороги, довольно громоздки, и не слишком надежны.
«У керамического лазера есть существенные конкурентные преимущества, они дешевле в производстве, проще и надежнее, и примерно в четыре раза компактнее гольмиевых. Это будет хороший выбор для хирургов», — полагает Обронов.
Еще одно потенциальное применение керамических лазеров – композитная промышленность. Широко распространенные одномикронные лазеры хорошо режут металл, но полимеры для них практически прозрачны. Двухмикронный керамический лазер, в отличие от них может эффективно резать и гравировать пластик, например композитные материалы.
«Сейчас в производстве техники, например, самолетов, все шире применяются композиты. Крыло нового российского самолета МС-21 почти целиком сделано из композитов. Керамический лазер может стать удобным инструментов для такого производства», — заключил ученый.
