Команда ученых под руководством профессора Чэн Тинцина из Хэфэйского института физических наук  (Китайская академия наук) совершила прорыв в лазерных технологиях. Они придумали, как сделать мощные лазеры ярче и эффективнее, изменив структуру кристалла, через который проходит луч.

Результаты опубликованы в издании Optics & Laser Technology.

Обычно в твердотельных лазерах с торцевой накачкой используют кристаллы с равномерным распределением примесей. Но при большой мощности это приводит к перегреву, искажению луча и потере энергии. Китайские исследователи предложили градиентно-легированный кристалл — в нем концентрация неодима (Nd) плавно увеличивается вдоль стержня.

Градиентно-легированный кристалл — это кристалл, в котором концентрация примесей (например, ионов неодима) плавно меняется вдоль его длины. В отличие от обычных кристаллов с равномерным распределением, это позволяет управлять поглощением света и снижать перегрев.

Сначала они создали математическую модель, чтобы рассчитать оптимальное распределение примеси, затем вырастили кристалл и проверили его в деле. Оказалось, что такой подход:

• увеличивает длину поглощения — лазер эффективнее использует энергию накачки;
• снижает перегрев — меньше деформаций и тепловых искажений;
• улучшает фокусировку — луч остается четким даже на высокой мощности.

В результате КПД лазера превысил 50%, а в импульсном режиме с электрооптической модуляцией (Q-переключение) удалось достичь:

На основе этой технологии собрали компактный лазер с рекордной яркостью. Теперь ее можно применять в промышленности, медицине и научных экспериментах — везде, где нужны мощные и точные лазерные системы.

Это исследование решает ключевую проблему мощных лазеров — перегрев и потерю качества луча. Сейчас такие системы используются в лазерной резке, сварке, медицинских операциях (например, удаление опухолей), а также в научных установках. Если технология масштабируется, это может:

• удешевить производство лазеров — меньше потерь энергии = меньше затрат на охлаждение;
• увеличить срок службы — меньше тепловых нагрузок = дольше работает без замены компонентов;
• дать новые возможности — например, более точные лазеры для квантовых вычислений или лидаров.

Пока неясно, насколько технология масштабируема — авторы тестировали один тип кристалла (Nd:YAG) в лабораторных условиях. В реальности могут возникнуть сложности:

• Стоимость — выращивание градиентных кристаллов сложнее, чем обычных;
• Стабильность — как поведет себя материал при длительной работе на предельных мощностях?
• Альтернативы — например, волоконные лазеры уже предлагают высокую эффективность.

Ранее ученые создали уникальный лазер с помощью углеродных нанотрубок.