Создан 3D-печатный керамический лазер, способный достичь киловаттной мощности

Специалистам Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (LLNL) впервые удалось напечатать на 3D-принтере функциональные оптические волноводы из керамических материалов. Данный прорыв открывает путь к созданию портативных излучателей киловаттного диапазона, чья предельная производительность существенно превосходит возможности классических волоконных аналогов из кварцевого стекла.

Ключевым компонентом решения выступает оптически прозрачная керамика на базе иттрий-алюминиевого граната (YAG). По сравнению с традиционным кварцем этот кристаллический состав демонстрирует превосходную теплопроводность и минимизирует негативный эффект вынужденного рассеяния Мандельштама — Бриллюэна, являющийся основным барьером для наращивания мощности в лазерной оптике.

Основная сложность заключалась в формировании прецизионной структуры с идеальным качеством сопряжения световедущей жилы и внешней оболочки. Инженеры обошли это ограничение посредством аддитивных технологий, выполнив синтез обоих элементов практически в едином непрерывном технологическом цикле.

Для послойного построения применялась методика прямого нанесения чернил (Direct Ink Writing) на базе суспензий с наночастицами. При этом центральный канал был активирован ионами иттербия, выступающими в роли усиливающей среды. Полученные заготовки проходили деликатную сушку, высокотемпературное спекание и постобработку методом горячего изостатического прессования. В результате матовая деталь трансформировалась в оптически однородный монолит, способный эффективно проводить лазерное излучение.

В пределах единой компактной керамической матрицы ученые интегрировали сразу три независимых оптических канала. Наиболее удачный образец обладал эллиптическим профилем сечения размером 100 × 60 мкм при длине волновода 1,4 см.

На текущем этапе выходная мощность прототипов составляет лишь сотни милливатт, поэтому до коммерциализации технологии предстоит пройти долгий путь. Тем не менее авторы разработки уверены, что переход на кристаллическую керамику позволит на порядок увеличить плотность излучения относительно стеклянных световодов при сохранении миниатюрных габаритов.

При успешном масштабировании технологии подобные решения найдут применение в установках для высокоточной резки и обработки сверхтвердых материалов, а также в системах направленной энергии — от комплексов противодействия беспилотникам до перспективных средств противоракетной обороны.

На данный момент проект доказал принципиальную реализуемость концепции. В рамках следующего этапа авторы намерены повысить разрешение печати, форсировать выходную мощность и всесторонне исследовать поведение керамических структур в условиях экстремальных термических нагрузок.

Источник: iXBT