Международная группа ученых разработала и успешно протестировала первый в мире, очень мощный и самый компактный лазер, который функционирует на основе так называемого модулятора добротности (Q-ключа). Данное устройство способно генерировать фотонные импульсы с контролируемой поляризацией при длительности в несколько наносекунд. Несмотря на то, что габариты аппарата составляют лишь одну десятую часть площади самой малой монеты, он способен создавать лазерный импульс, мощность которого в десять раз превышает показатели ранее созданных более крупных аналогов Q-лазеров. Конструкция нового устройства базируется на слое оптического материала, расположенном между двумя катушками электромагнитов, предназначенными для намагничивания магнитооптической системы.

В отличие от других подобных лазеров, в новом лазере использованы элементы из искусственного граната, насыщенного атомами неодима, иттрия и алюминия. В качестве накачки Q-лазера используется свет, вырабатываемый полупроводниковым лазерным диодом.

Опытный образец нового лазера вырабатывает импульсы света с длиной волны 1064.58 нанометра, длительностью в 25 наносекунд и частотой повторения в 1 кГц (1000 раз в секунду). При этом, пиковая мощность одного импульса составляет 1.1 кВт, что является весьма большим показателем для лазерного устройства, имеющего оптическую резонансную полость, длиной всего в 1 сантиметр.

Короткая длительность импульсов позволяет ученым изменять поляризацию света луча лазера путем весьма необычных манипуляций с фотонами. При этом, устройство может обеспечить разную поляризацию для каждого из вырабатываемых им импульсов света, что дает ученым массу новых возможностей для проведения различных экспериментов.

В своей дальнейшей работе ученые собираются увеличить пиковую мощность лазерной системы и модернизировать ее структуру для того, чтобы новый лазер можно было без проблем интегрировать в состав коммуникационного и исследовательского оборудования.

Для любознательных

Лазеры с импульсами наносекундного диапазона — это такие лазеры, которые работают не постоянно, а выбрасывают свет очень короткими, но мощными вспышками. Длительность каждой вспышки — от одной до нескольких наносекунд. Это одна миллиардная доля секунды — настолько быстро, что глаз просто не успевает это заметить.

Представьте, что вы дуете на листок бумаги: если дуете медленно и долго — он мягко отклоняется. А если резко хлопнете по воздуху — он взлетит. Так и с лазером: короткий, но мощный импульс действует резко и эффективно, не давая теплу распространиться по материалу.

Как они устроены?

Такие лазеры часто работают в режиме Q-свичинга — это как будто вы сначала «запираете» свет внутри лазера, накапливаете энергию, а потом вдруг открываете дверь — и весь накопленный свет вырывается одним мощным импульсом. Благодаря этому получается огромная пиковая мощность, даже если общая энергия не такая большая.

Почему именно наносекунды?

Импульс такой длительности — как золотая середина:

• Он достаточно короткий, чтобы не перегреть окружающие участки.
• Но достаточно длинный, чтобы можно было эффективно накопить и выпустить энергию.
• Это делает такие лазеры надёжными, мощными и относительно недорогими по сравнению с более современными пикосекундными или фемтосекундными аналогами.

В чём разница с другими лазерами?

• Непрерывные лазеры — как лампочка: светят постоянно. Хороши для резки толстых материалов, но могут перегревать.
• Пикосекундные лазеры — импульсы в тысячу раз короче. Действуют почти без тепла, ещё точнее, но дороже и сложнее в обслуживании.
• Наносекундные лазеры — оптимальный выбор там, где нужна мощность, точность и стабильность, но не требуется сверхвысокая стоимость.

Кто разрабатывает мощные Q-лазеры с наносекундными импульсами?

В мире:

1. IPG Photonics (США)
   — Лидер в производстве волоконных лазеров с нано- и миллисекундными импульсами.
   — Серии YLR и YLS — компактные, надёжные лазеры с пиковой мощностью до 23 кВт и энергией импульса до 230 Дж.
   — Применяются в микрообработке, сварке, резке и сверлении материалов.
2. TRUMPF (Германия)
   — Разрабатывает лазеры серии TruMicro и TruPulsNano.
   — Используют технологии GWave и PulseTune для точной настройки импульсов.
   — Применяются в микрообработке металлов, электроники, медицинских приборов.
3. Fotona (Словения)
   — Специализируется на медицинских и косметологических лазерах.
   — Модель StarWalker MaQX — Q-лазер с наносекундными импульсами (5 нс), работающий на длинах волн 1064 нм, 532 нм, 585 нм, 650 нм.
   — Применяется для удаления татуировок, пигментации, сосудистых патологий, омоложения кожи.

В России:

1. Национальный центр физики и математики (НЦФМ)
   — Разрабатывает установку XCELS — лазер экзаваттной мощности с фемтосекундными импульсами (не наносекундными, но это следующий этап развития).
   — Научный руководитель — академик Александр Сергеев.
   — Цель — создание сверхсильных световых полей для исследований в физике плазмы, квантовой электродинамике (например, «взрыв вакуума»).
2. НТО «ИРЭ-Полюс» (Фрязино, Россия)
   — Российское подразделение IPG Photonics.
   — Представляет нано- и миллисекундные волоконные лазеры на российском рынке.
   — Участвует в выставках «Фотоника» и «Металлообработка».
3. УФЛ-2М (Россия)
   — Одна из самых мощных лазерных установок в стране, работающая в наносекундном диапазоне (~10 нс).
   — Используется для исследований в области лазерного термоядерного синтеза и физики высоких плотностей энергии.

Для чего используются такие лазеры?

1. Промышленная обработка материалов

• Сварка: особенно тонких или отражающих металлов (медь, алюминий).
• Резка: стекло, сапфир, кремний — даже с низкой поглощательной способностью на 1070 нм.
• Сверление: точное формирование отверстий в твёрдых материалах.
• Маркировка и гравировка: на металлах, пластиках, керамике.

2. Медицина и косметология

• Удаление татуировок и перманентного макияжа — Q-лазеры разрушают пигмент импульсами, не повреждая кожу.
• Лечение гиперпигментации (например, невус Отто).
• Фотоомоложение: режим FracTat в лазерах Fotona вызывает фракционное фотоакустическое повреждение, стимулируя выработку коллагена.
• Карбоновый пилинг: очищение и сужение пор при акне.

3. Научные исследования

• Физика плазмы: изучение процессов, аналогичных ядерным взрывам (в условиях моратория на испытания).
• Термоядерный синтез: лазеры сжимают топливные мишени (дейтерий-тритий) до условий, при которых возможна реакция синтеза.
• Квантовая электродинамика: в перспективе — создание реальных частиц из виртуальных в сильных полях («взрыв моря Дирака»).

4. Электроника и микрообработка

• Точная обработка микросхем, снятие слоёв, структурирование поверхностей.
• Применяется в производстве MEMS, сенсоров, оптоэлектроники.

Особенности Q-лазеров с наносекундными импульсами

• Высокая пиковая мощность — позволяет мгновенно нагревать хромофоры (например, пигмент в татуировке) до температур, вызывающих фотоакустический эффект (ударная волна).
• Контролируемая глубина воздействия — за счёт дробной подачи энергии (пакет импульсов).
• Минимальное повреждение окружающих тканей — особенно важно в медицине.

Важно:

На сегодня самые передовые разработки уже уходят в сторону пико- и фемтосекундных лазеров, где воздействие становится ещё более точным и менее термальным. Однако наносекундные Q-лазеры остаются золотым стандартом в косметологии и промышленности благодаря своей надёжности, стоимости и эффективности.

На сегодняшний день такие лазеры — один из самых распространённых типов в промышленности и медицине. Они проверены временем, хорошо изучены и продолжают совершенствоваться. Если вы видели, как удаляют татуировку или маркируют деталь на заводе — с большой вероятностью, там работал именно наносекундный Q-лазер.