Ученые создали керамический лазер на 3D-принтере, способный выдержать мощность в киловатты

В основе разработки — керамика из иттрий-алюминиевого граната

Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) впервые с помощью 3D-печати создали функциональные керамические волноводы для лазеров. В перспективе такая технология может стать основой для компактных лазеров мощностью в киловатт, которые значительно превосходят традиционные стеклянные волоконные системы по допустимой мощности.

В центре разработки находится прозрачная керамика из иттрий-алюминиевого граната. В отличие от кварцевого стекла, применяемого в большинстве волоконных лазеров, этот материал более эффективно отводит тепло и значительно меньше подвержен вынужденному рассеянию Мандельштама — Бриллюэна — одному из основных физических факторов, сдерживающих увеличение мощности.

Основной задачей было создание волновода со сложной внутренней структурой без дефектов на границе между сердцевиной и оболочкой. Команда LLNL решила эту проблему с помощью аддитивного производства, успешно напечатав обе части в рамках единого технологического процесса.

Для этого ученые применили метод прямого нанесения чернил. Основным материалом стала паста с наночастицами, а сердцевину волновода легировали ионами иттербия, усиливающими лазерное излучение. После печати заготовку сушили, спекали и подвергали горячему изостатическому прессованию. В результате изначально непрозрачная деталь преобразовывалась в прозрачную керамическую структуру, способную эффективно проводить лазерный свет.

В одном компактном керамическом блоке исследователи разместили три независимых волновода. Наилучший образец имел эллиптическое сечение размером 100 × 60 микрометров при длине 1,4 сантиметра.

На данный момент экспериментальные устройства развивают лишь сотни милливатт мощности, поэтому до полноценной промышленной реализации лазеров еще далеко. Тем не менее, 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 технология будет успешно масштабирована, она найдет применение в промышленных установках для резки и обработки материалов, а также в системах направленной энергии — от комплексов противодействия беспилотникам до перспективных систем противоракетной обороны.

Тем временем разработка служит доказательством эффективности нового метода производства сложных оптических структур. Следующий этап — улучшение качества 3D-печати, многократное увеличение выходной мощности и проверка на устойчивость к экстремальным тепловым нагрузкам.