Новый «стеклянный» источник излучения поможет создавать высокоэффективные инфракрасные лазеры

Российские физики совместно с немецкими коллегами создали лазер, который работает в среднем инфракрасном диапазоне и, в отличие от аналогов, не требует дополнительного охлаждения. Этого удалось добиться за счет использования халькогенидного стекла с редкоземельными ионами церия. Разработка найдет применение в хирургических процедурах, молекулярной спектроскопии, а также сделает более эффективной обработку пластиковых материалов. Результаты работы опубликованы в журналах Optics Letters и Optics Express, а также поддержаны грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ).

Лазеры, работающие в среднем инфракрасном диапазоне, находят применение в самых различных областях: мониторинг газов в окружающей среде и анализ дыхания, минимально повреждающая хирургия и обработка неметаллических материалов. Несмотря на то, что современные лазерные системы успешно решают некоторые из этих задач, изготавливать их по-прежнему дорого и сложно. Именно поэтому большой интерес вызывают твердотельные лазеры в среднем инфракрасном диапазоне. Они отличаются высокой эффективностью и малыми габаритами.

Важная составляющая лазера — активная среда, которая усиливает проходящее через нее излучение. В твердотельных лазерах среднего инфракрасного диапазона ее роль играют либо кристаллы, либо различные стекла. Например, наилучшие характеристики подобного устройства может обеспечить кристаллический селенид цинка ZnSe с ионами железа, однако у этого материала есть явный недостаток — быстрое затухание люминесценции при комнатной температуре, то есть свечение быстро сходит на нет.

Чтобы улучшить этот показатель, авторы работы решили сконцентрировать внимание на создании лазеров на ионах церия, а вместо кристалла использовать стеклянную основу, которая позволяет изготовить стекловолокно с геометрией, обеспечивающей лучшие лазерные характеристики. Ранее ученые из Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН (Москва) и Института химии высокочистых веществ имени Г. Г. Девятых РАН (Нижний Новгород) разработали совершенно новое халькогенидное стекло, лишенное недостатка кристаллического активного элемента на основе ZnSe. Оно может стать достойной альтернативой этому популярному материалу.

Уникальное стекло с ионами церия стало основой для лазера, созданного учеными из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (Троицк) совместно с коллегами из Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН (Москва), Института химии высокочистых веществ имени Г. Г. Девятых РАН (Нижний Новгород) и Университета Дуйсбурга-Эссена (Германия). Эксперименты с новым устройством показали, что оно способно генерировать излучение в спектральном диапазоне от 4 до 6 микрометров, то есть в среднем инфракрасном диапазоне. При этом созданный лазер может эффективно работать при комнатной температуре без дополнительного охлаждения.

«Сейчас мы работаем над волоконным вариантом такого лазера, что должно существенно улучшить его характеристики и упростить практическое использование. Наша разработка найдет широкое применение в хирургии, материаловедении и молекулярной спектроскопии», — подводят итог авторы.