Лазер на керамике

Ученые из института электрофизики Уральского отделения Российской академии наук запатентовали «Способ изготовления высокоплотной, в том числе оптической керамики с использованием электрофоретического осаждения наночастиц»

Использование лазеров давно перестало быть исключительно художественным приемом научной фантастики или лабораторной технологией. Сегодня с помощью лазеров удаляют или корректируют татуировки, делают гравировку, проводят доступные высокоточные операции. Наибольший интерес в этом плане представляют так называемые твердотельные лазеры.

Те, кто в рамках курса физики интересовался устройством лазера, знает его принципиальную схему: источник энергии, «оптический резонатор» — система линз и зеркал и, так называемое, рабочее тело — среда, усиливающая мощность и определяющая длину волны излучения. В качестве среды могут использоваться как газы, так и вещества в твердом агрегатном состоянии. Самым первым твердотельным лазером и одновременно первым работающим лазером был излучатель на рубине, накачка которого осуществлялась излучением импульсной газоразрядной лампы. Этот лазер был создан в 1960 году американским физиком Теодором Майманом. С тех пор твердотельные лазеры стали предметом не только научного, но и промышленного, бытового интереса, а самой активной областью исследований — создание лазеров, где в качестве рабочего тела используются керамические сплавы. Самые современные из них позволяют получить выходную мощность лазера более чем в 100 киловатт.

Широкому распространению керамических лазеров мешает дороговизна оборудования для производства «лазерной керамики», например для спекания компактов, полученных из водных суспензий нанопорошков исходных компонентов. А также — проблема контроля параметров оптической керамики для получения максимально точно прогнозируемого результата. Основные требования, которые предъявляют к керамическим оптическим материалам — оптическая однородность и прозрачность, так называемая «нулевая пористость» и пониженная дефектность структуры.

Авторы новой технологии предлагают изготавливать высокоплотную керамику с помощью электрофоретического — управляемого — осаждения слабоагрегированных наночастиц оксидов. Их получают методом лазерного испарения или электрического взрыва проводника из самостабилизированной суспензии в неводной среде, обработанной ультразвуком и последующим центрифугированием, а далее проводить спекание компакта. Концентрация наночастиц при этом должна быть в диапазоне от 0,1 до 10% веса.

Электрическое осаждение осуществляют при напряженности электрического поля и плотности тока, регулируемых в зависимости от необходимой толщины заготовки. При центрифугировании отделяется крупная фракция частиц, что уменьшает неоднородность плотности и дефектность компакта. Самостабилизированные в суспензии наночастицы под действием электрического поля осаждаются на электроде, формируя плотный однородный слой. Получается однородный по объёму компакт, в котором отсутствуют механические напряжения. С помощью данной технологии параметры «лазерной керамики» — оптическая однородность, прозрачность, «нулевая пористость», отсутствие дефектов — достигают необходимых значений при одновременном снижении затрат на производство. В свою очередь, это открывает широкие перспективы для применения «лазеров на керамике» как в бытовой сфере, сфере медицины — косметология, пластические операции, хирургические операции по улучшению зрения, промышленности — обработка материалов, производство дальномеров и целеуказателей, а также науке — исследованиях, накачке других лазеров.

Подробности новой технологии — в опубликованном патенте.