Российские физики создали керамический лазерный скальпель
Российские ученые 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 процентов. 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 свернется. 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 ученые 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 случае такой кристалл будет выращиваться очень медленно.
Новый лазер на керамической основе имеет коэффициент преобразования энергии накачки в энергию лазерного луча выше 50 процентов. Для основной массы употребляемых твердотельных лазеров эта цифра в 2,0-2,5 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.
Еще 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 самолета МС-21.
