Российские физики создали керамический лазерный скальпель

Российские учёные из МФТИ и ряда других научных организаций создали новый, компактный, надёжный, мощный и недорогой лазер на основе керамики. Соответствующая статья опубликована в журнале Optics Letters.

Обычно активной средой компактных лазеров является монокристалл (так называемый твердотельный лазер). Подача энергии ("накачка") происходит в виде мощного светового излучения (лампа-вспышка или полупроводниковый светодиод). Для твердотельных лазеров нужной в медицине длины волны коэффициент преобразования энергии импульса накачки в импульс лазера обычно выше 20%. Правда, у них есть недостаток: их рабочий диапазон в районе 1 микрометра. Такие волны сравнительно легко проникают через человеческое тело на некоторую глубину. Из-за этого сосуды под оперируемым участком тела могут быть повреждены, а кровь в них свернётся. Можно попробовать избежать этого эффекта, используя двухмикронные гольмиевые лазеры с ламповой накачкой. Такая длина волны достаточна, чтобы не проникать слишком глубоко (её лучше поглощают ткани человеческого тела). Однако устройства на базе гольмия очень дороги, громоздки и не так надёжны. Выход лазера из строя прямо в момент операции, где важна каждая минута, — не самый безопасный вариант.

Чтобы избавиться от всех этих проблем, российские учёные преднамеренно создали лазер, излучающий вдвое более длинные волны. Его рабочий диапазон находится в районе 2 микрон. В качестве активной среды он использует керамику из оксида лютеция с добавлением ионов тулия (Tm3+:Lu2O3). Новая рабочая среда не моно-, а поликристаллическая. Её получают спеканием порошков в поликристаллическую массу — керамику. В производстве керамика много дешевле и проще, чем монокристаллы, которые надо выращивать без дефектов, что не всегда удаётся. Наконец, монокристалл трудно создать с произвольным набором примесей: в ряде случаев такой кристалл будет выращиваться очень медленно.

Новый лазер на керамической основе имеет коэффициент преобразования энергии накачки в энергию лазерного луча выше 50%. Для основной массы употребляемых твердотельных лазеров эта цифра в 2—2,5 раза ниже. Это значит, что новинка может иметь меньшую мощность при тех же возможностях резания. К тому же она примерно в четыре раза компактнее гольмиевых аналогов с тем же безопасным излучением. Иными словами, хирургу оперировать таким небольшим лазерным скальпелем будет куда удобнее, что немаловажно для успешного исхода операции.

Ещё одно перспективное направление для керамических лазеров — нарезка деталей из новейших композитов. Широко распространённые одномикронные лазеры неплохо режут металл, но полимеры для их чересчур коротких волн почти прозрачны. Двухмикронный керамический лазер, напротив, сможет эффективно резать и гравировать композитные материалы вроде тех, из которых делают крыло нового российского самолёта МС-21.