Российские исследователи достигли выдающегося прорыва в области лазерных технологий, создав уникальный волоконный лазер на основе сверхчистого халькогенидного стекла с добавлением празеодима. Инновационная разработка генерирует излучение в среднем инфракрасном диапазоне с впечатляющей длиной волны 5,8 микрометров. Благодаря применению революционного селенидного стекла удалось кардинально расширить спектр доступных длин волн в стеклянных волокнах — увеличение составило целых 50%, от традиционных 3,9 до невероятных 5,8 микрометров. Особенную ценность представляет возможность активации лазера обычным доступным диодом, что значительно удешевляет производство и делает технологию более доступной для широкого применения в промышленности, экологическом контроле и медицинской практике. Замечательные результаты этого исследования, получившего поддержку Российского научного фонда, были опубликованы в престижном журнале Optical Materials.
Революционные возможности оптических волокон
Световоды представляют собой удивительные устройства, состоящие из стеклянной оболочки и центральной части, обогащенной ионами редкоземельных элементов. Эти материалы обладают уникальной способностью улавливать внешнее лазерное излучение и трансформировать его в собственное свечение совершенно иного спектрального диапазона. Исторически для производства волоконных лазеров средней инфракрасной области применялись фторидные и теллуритные стекла. Однако эти материалы имели существенное ограничение — максимальная длина волны не превышала 3,9 микрометров, тогда как современная промышленность и медицина остро нуждаются в лазерах с более протяженными волнами.
Перспективные халькогенидные материалы
Стеклянные световоды, созданные на основе сульфидов и селенидов германия, галлия и сурьмы с добавлением лантаноидов, уже давно привлекали внимание ученых как многообещающие источники лазерного излучения с длиной волны свыше 4 микрометров. Хотя халькогенидные волоконные лазеры еще не получили массового распространения, их рабочий спектральный диапазон идеально совпадает с характеристиками поглощения множества важнейших органических и неорганических соединений — метана, оксидов азота, углерода и серы. Эта особенность открывает фантастические возможности для точного определения веществ и оптимизации химических производственных циклов, экологического мониторинга окружающей среды, а также неинвазивной экспресс-диагностики эндокринных расстройств и заболеваний пищеварительной системы.
Прорывное достижение российских ученых
Исследователи из Института химии высокочистых веществ имени Г.Г. Девятых РАН в Нижнем Новгороде совершили настоящий научный подвиг, впервые разработав волоконный лазер на халькогенидном стекле, способный генерировать средний инфракрасный свет с длиной волны от 5,6 до 5,83 микрометра. Первым этапом грандиозной работы стало получение исключительно чистого селенидного стекла с минимальным содержанием нежелательных примесей — водорода, кислорода, металлических включений и частиц. В этот уникальный материал был искусно введен празеодим, что и стало ключом к успеху.
Инновационная технология производства
Процесс создания революционного материала потребовал применения сложнейших технологических решений. В специальном кварцевом реакторе при высокой температуре в условиях глубокого вакуума исследователи пропускали пары селена через германий и сурьму. К образовавшейся селенидной смеси методом химического парового транспорта при температуре 780°С добавлялись празеодим и галлий. Этот хитроумный процесс позволил достичь дополнительной очистки селенидов от вредоносных примесей. Полученную композицию плавили в качающейся печи, затем быстро охлаждали и отжигали получившееся стекло. Итоговый материал содержал менее 0,0001% примесей — поистине впечатляющий показатель чистоты! Из этого превосходного стекла формировалась сердцевина волоконного световода. Ученым удалось вытянуть более 50 метров оптического волокна диаметром 0,22 миллиметра с сердцевиной всего 0,026 миллиметра.
Блестящие результаты испытаний
Следующим захватывающим этапом стало всестороннее изучение лазерных свойств созданного световода, включая детальный анализ спектральных и энергетических характеристик. Исследователи направляли в оболочку волокна излучение от коммерчески доступного инфракрасного диода с длиной волны 1,46 микрометров. Широкий луч применяемого источника элегантно решил проблему сложного прицеливания в крошечную сердцевину волокна. Результаты превзошли все ожидания: лазер на основе халькогенидного волокна с празеодимом демонстрировал великолепное излучение в среднем инфракрасном диапазоне с длиной волны 5,6–5,83 микрометра и выдающейся выходной мощностью, не уступающей лучшим мировым аналогам.
Амбициозные планы развития
Максим Суханов, руководитель проекта и кандидат химических наук из Института химии высокочистых веществ имени Г.Г. Девятых РАН, с энтузиазмом рассказывает о достижениях команды: «Нам удалось впервые создать лазеры, испускающие среднее инфракрасное излучение. В настоящее время мы активно работаем над оптимизацией энергетической эффективности лазера и увеличением его мощности. Наша цель — повысить концентрацию празеодима в стекле, сохранив при этом его исключительную чистоту. Это представляет интересную техническую задачу, поскольку растворимость редкоземельных металлов в халькогенидных стеклах ограничена, и они могут служить источником нежелательных примесей». Поддержка Российского научного фонда позволяет команде уверенно двигаться к новым горизонтам в лазерных технологиях, открывая безграничные возможности для практического применения в различных отраслях науки и техники.
