Специалистам удалось создать керамический лазер с помощью технологии 3D-печати.

Специалисты Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) впервые напечатали на 3D-принтере действующие керамические волноводы для лазерных установок. Такая методика в перспективе позволит создавать лазеры киловаттного класса, которые по допустимой мощности заметно превзойдут привычные системы на стекловолокне.

Ключевой элемент разработки — прозрачная керамика на основе иттрий-алюминиевого граната. По сравнению с кварцевым стеклом, которое применяется в большинстве волоконных лазеров, этот материал лучше отводит тепло и значительно менее подвержен вынужденному рассеянию Мандельштама — Бриллюэна, являющемуся главным препятствием для наращивания мощности.

Основная сложность заключалась в создании волновода с непростой внутренней конфигурацией, где на стыке сердцевины и оболочки не должно быть дефектов. В LLNL эту задачу решили за счет аддитивных технологий: обе части изготавливались практически в едином процессе. Ученые применили метод прямой печати чернилами, используя пасту с наночастицами. Сердцевину дополнительно легировали ионами иттербия для усиления лазерного излучения. После печати заготовку сушили, спекали и обрабатывали горячим изостатическим прессованием — так непрозрачная деталь становилась прозрачной и способной проводить лазерный свет.

В одном небольшом керамическом блоке разместили сразу три независимых волновода. Лучший из них имел эллиптическое сечение 100 на 60 микрометров при длине 1,4 сантиметра. Пока экспериментальные образцы выдают лишь сотни милливатт, и до промышленных лазеров еще далеко. Тем не менее авторы уверены, что кристаллическая керамика позволит поднять мощность более чем в десять раз относительно стекловолокна, сохранив компактность.

Если технологию удастся масштабировать, она пригодится в установках для резки материалов и в системах направленной энергии — от борьбы с дронами до противоракетной обороны. Сейчас разработка лишь доказывает жизнеспособность нового подхода к производству оптических структур. Следующий шаг — улучшить качество печати, значительно повысить выходную мощность и проверить, выдержит ли керамика экстремальные тепловые нагрузки.