Ученые напечатали на 3D-принтере керамический лазер — в перспективе он выдержит киловатты мощности
Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) впервые создали с помощью 3D-печати работающие керамические волноводы для лазеров. В будущем такая технология может стать основой компактных лазеров киловаттного класса, значительно превосходящих традиционные стеклянные волоконные системы по допустимой мощности.
В основе разработки — керамика из иттрий-алюминиевого граната
Изображение сгенерировано Gemini // Источник изображения: Gemini
В основе разработки лежит прозрачная керамика из иттрий-алюминиевого граната. В отличие от кварцевого стекла, используемого в большинстве волоконных лазеров, этот материал эффективнее отводит тепло и гораздо меньше страдает от вынужденного рассеяния Мандельштама — Бриллюэна — одного из главных физических факторов, ограничивающих рост мощности.
Главной задачей было изготовить волновод со сложной внутренней структурой без дефектов на границе между сердцевиной и оболочкой. Команда LLNL решила проблему с помощью аддитивного производства: обе части были напечатаны практически в рамках единого технологического процесса.
Для этого ученые использовали метод прямого нанесения чернил. Исходным материалом стала паста с наночастицами, а сердцевину волновода легировали ионами иттербия, которые усиливают лазерное излучение. После печати заготовку высушивали, спекали и подвергали горячему изостатическому прессованию. В результате первоначально непрозрачная деталь превращалась в прозрачную керамическую структуру, способную эффективно проводить лазерный свет.
В одном компактном керамическом блоке исследователи разместили сразу три независимых волновода. Лучший образец имел эллиптическое сечение всего 100 × 60 микрометров при длине 1,4 сантиметра.
Пока экспериментальные устройства развивают лишь сотни милливатт мощности, поэтому до полноценных промышленных лазеров еще далеко. Однако разработчики уверены, что архитектура на основе кристаллической керамики потенциально позволит увеличить мощность более чем в десять раз по сравнению со стеклянными волоконными решениями без потери компактности.
Если технологию удастся масштабировать, она найдет применение в промышленных установках для резки и обработки материалов, а также в системах направленной энергии — от комплексов борьбы с беспилотниками до перспективных средств противоракетной обороны.
Пока же разработка остается доказательством работоспособности нового метода производства сложных оптических структур. Следующий этап — повысить качество 3D-печати, многократно увеличить выходную мощность и проверить, выдержит ли керамика экстремальные тепловые нагрузки.