Алмази – нові найкращі друзі вчених-лазерників
Лазери на алмазній основі, що колись були фантазією Джеймса Бонда, зараз стають реальністю, показує дослідження, проведене Університетом Стратклайда (University of Strathclyde), повідомляє портал phys.org.
У дослідженні, в якому застосовувалися високі технології, були використані унікальні властивості алмазу для створення нового покоління лазерів, які могли надати багато переваг, починаючи від досконалішого лікування шкірних захворювань та очних проблем, пов'язаних з діабетом, до покращення моніторингу за забрудненням довкілля та авіаційного машинобудування.
Група дослідників з Університету Стратклайда розробила новий вид високоефективного, надуніверсального лазера, що використовує ефект Рамана (Raman), в якому використовуються алмази для створення променів світла з більш потужним та широким діапазоном кольору, ніж у існуючих лазерів Рамана. Ці можливості можуть відкрити важливі нові сфери застосування. Дослідження фінансується Радою з досліджень у галузі машинобудування та фізичних наук (Engineering and Physical Sciences Research Council, EPSRC).
Хоча дослідники в Австралії теж ведуть роботи з інноваційної лазерної технології, заснованої на застосуванні алмазів з використанням ефекту Рамана, команда зі Стратклайду першою досягла двох перших світових досягнень:
- Найперші «алмазні лазери Рамана, що настроюються за частотою», в яких колір світла можна регулювати відповідно до певних потреб: наприклад, для лікування судинних уражень – аномальних скупчень кровоносних судин – потрібно жовте/помаранчеве світло, якого важко досягти за допомогою звичайних лазерів, але який необхідний для максимального поглинання у місці поразки, при цьому зводиться до мінімуму ушкодженнянавколишньої тканини. Цей прорив спирається на той факт, що оптичні властивості алмазу дозволяють алмазним лазерам виробляти діапазон кольорів, які важко отримати за допомогою звичайних засобів. Наприклад, жовто/оранжеве світло, яке можна застосовувати в медицині для лікування таких захворювань, як судинні ураження або крововилив у сітківці ока з тильного боку очного яблука.
- перший алмазний лазер Рамана безперервної дії. Це має важливе значення, тому що лазери, які можуть виробляти лише короткі імпульси світла, не придатні для деяких медичних та інших застосувань, наприклад коли імпульси можуть пошкодити чутливі структури ока. При медичному лікуванні високочутливих ділянок, отже, виникають ситуації, коли використання імпульсного лазерного випромінювання може викликати велике порушення слуху.
Професор Мартін Доусон (Martin Dawson), який ініціював проект і здійснював нагляд за ним в Інституті фотоніки при Університеті Стратклайда (Strathclyde's Institute of Photonics), сказав: «Наші нові лазери можуть створювати світло, починаючи з нижнього кінця ультрафіолетової частини електромагнітного спектру. через видиму частину до середньої частини інфрачервоної області. Це означає, що вони можуть усунути багато існуючих недоліків у можливостях лазерів».
Це показ аудіослайдів, що включає зображення алмазних лазерів.
Кремній та інші матеріали, які зазвичай використовуються в лазерах Рамана для зміни кольору світла, через фізичні властивості матеріалів мають обмеження за потужністю лазера та діапазон кольорів, які вони можуть виробляти. Наприклад, їх порівняно обмежена здатність проводити тепло накладає обмеження на вихідну потужність лазера, що досягається, а їхпевні оптичні властивості обмежують їхню здатність генерувати певні необхідні кольори світла.
І навпаки, алмаз має неперевершену теплопровідність, яка у поєднанні з його унікальною твердістю, міцністю та оптичними властивостями робить його ідеальним для застосування в лазерах.
Доктор Алан Кемп (Alan Kemp) з Університету Стратклайда, головний дослідник у цьому проекті, сказав: «Застосування монокристалічних алмазів безпосередньо в лазерах відкриває величезні можливості. Основною перевагою є те, що не потрібний великий кристал для створення необхідної потужності, тому можна робити лазери набагато меншого розміру.
У звичайні лазери Рамана необхідно вбудовувати кристал завдовжки від трьох до шести сантиметрів. Але наші нові лазери можуть досягати таку ж потужність за допомогою алмазного кристала розміром від двох до шести міліметрів.
Це означає, що лазери можуть застосовуватися в обмеженому просторі, куди вони зараз просто не можуть пройти, наприклад, в авіаційній області та медицині, де потрібні лазери високої потужності певних кольорів, але основне значення має обсяг простору».
Доктор Дженіфер Хасті (Jennifer Hastie) керувала проектом демонстрації перших лазерів Рамана з перебудовою частоти генерації, отриманих шляхом вбудовування кристалів Рамана в напівпровідникові дискові лазери - новий вид лазерів, що налаштовуються за частотою, розробка яких широко ведеться в Інституті фотоніки при Університеті Стратклайда.
Вона сказала: «Лазери Рамана діють за рахунок пропускання пучка світла, що накачує, через кристал, тим самим створюючи тепло, і в міру утворення тепла, лазерний промінь набуває іншого кольору. Якщо початковий колір світлового пучка накачуванняналаштовується за частотою, наприклад, як у напівпровідниковому дисковому лазері, можна домогтися налаштування кольору лазера Рамана».
Група тісно співпрацювала з фірмою Element Six із Великобританії, світовим лідером із виробництва штучних алмазів. Штучні алмази, будучи до того ж дешевшими в порівнянні з природними, чудово підходять для застосування в лазерах, тому що їм можна надати точних необхідних оптичних властивостей, що важко у випадку з природними алмазами.
Професор Доусон сказав: «Ми продемонстрували, що лазери Рамана мають потенціал стати важливою і чудовою технологією. Розробка інноваційної лазерної технології є надзвичайно конкурентоспроможною областю, і підтримка EPSRC дозволила нам досягти справді провідних світових досягнень, що мають величезний потенціал.
В даний час ми прагнемо закріпити досягнуті нами успіхи і маємо намір сприяти тому, щоб все нове покоління лазерів було впроваджено в експлуатацію, по можливості, протягом п'яти – десяти років».