Физики МФТИ разработали надежный и дешевый лазерный скальпель на основе керамики

Учёные из Московского физико-технического института (МФТИ) создали новый компактный и мощный лазер на основе керамики. Такое устройство можно использовать в качестве малотравматичного и дешёвого лазерного скальпеля для хирургических операций, а также для резки и гравировки композитных материалов.

На сегодняшний день лазеры используются повсеместно: в бытовых электронных устройствах, в медицине, металлургии, метеорологии и многих других областях.

Лазерный луч возникает за счёт 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. Именно ионы тулия и обеспечивают способность керамики генерировать лазерное излучение.

«Керамика — перспективный тип среды для лазеров, поскольку её 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 лазер преобразует энергию в излучение с эффективностью более 50%, в то время как другие варианты твердотельных лазеров имеют эффективность в среднем около 20%, и генерирует инфракрасное излучение с длиной волны около двух микрометров (1966 и 2064 нанометров). Именно длина волны делает этот лазер незаменимым для медицинских целей.

«Излучение наиболее распространённых инфракрасных лазеров, с длиной волны около одного микрона, имеет малое поглощение и очень глубоко проникает в биоткани, что приводит к коагуляции и появлению значительных областей „омертвевшей“ ткани. Хирургический скальпель должен работать на строго определённую 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 Иван.

Ещё одно потенциальное применение керамических лазеров — композитная промышленность. Широко распространённые 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, самолётов, все шире применяются композиты. Крыло нового российского самолёта МС-21 почти целиком сделано из композитов. Керамический лазер может стать удобным инструментов для такого производства», — заключил учёный.

Результаты исследования опубликованы в научном издании Optics Letters.