Александритовый лазер¶

Александритовый лазер — твердотельный лазер, активной средой которого служит кристалл хризоберилла, легированного хромом (Cr³⁺:BeAl₂O₄). Относится к числу перестраиваемых по длине волны лазеров и генерирует излучение в диапазоне 700—820 нм с типичной длиной волны около 755 нм. Название происходит от минерала александрита — разновидности хризоберилла, окрашенной ионами хрома, в честь которого кристалл и был назван.

¶История создания

В 1963 году в Физическом институте Академии наук СССР (ФИАН) под руководством Николая Басова, лауреата Нобелевской премии, была предложена сама идея использования хризоберилла, легированного хромом, в качестве активной среды лазера. В том же году в ленинградском Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений (ВНИИОФИ) группа учёных под руководством Дмитрия Нандаева, Ивана Шпаковского и Виктора Фирсова впервые реализовала генерацию лазерного излучения на таком кристалле. Работы велись параллельно с исследованиями рубиновых и неодимовых лазеров и стали частью общего направления развития твердотельных лазеров в СССР 1960-х годов.

Кристалл александрита обладает необычным для лазерных сред свойством: его спектр люминесценции имеет две полосы, соответствующие различным симметриям центров ионов хрома в решётке (так называемые центры с симметрией Cₛ и Cᵢ). Это обеспечивает широкую полосу перестройки и делает возможным работу лазера как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

¶Принцип действия и устройство

Александритовый лазер относится к четырёхуровневым лазерным системам. Ионы Cr³⁺ замещают алюминий в решётке хризоберилла и формируют активные центры. Накачка осуществляется, как правило, лампами вспышечного излучения (ксеноновыми или криптоновыми), реже — диодными лазерами. Резонатор формируется парой плоских или слабовыпуклых зеркал, одно из которых частично пропускающее.

Типичные параметры импульсного александритового лазера:

• длина волны — 720—800 нм (перестраиваемая);
• энергия импульса — от единиц до сотен джоулей в импульсных системах;
• длительность импульса — от десятков наносекунд (режим генерации без модуляции добротности) до микросекунд и более (в режиме с модуляцией добротности);
• КПД — до 3—5 % при ламповой накачке.

Особенностью александрита является сильная зависимость сечения поперечного переноса от температуры: при нагреве кристалла до 80—100 °C эффективность генерации существенно возрастает, поэтому в мощных системах активный элемент активно охлаждают или, наоборот, эксплуатируют при повышенной температуре. Спектральная перестройка осуществляется с помощью дифракционной решётки или призмы, установленных в резонаторе.

¶Классификация

По режиму работы александритовые лазеры делятся на:

• Импульсные — наиболее распространённый тип, используются для обработки материалов и в медицине;
• Непрерывного действия — сложнее в реализации из-за теплового разупорядочения кристалла, применяются реже;
• С модуляцией добротности — генерируют серии сверхкоротких импульсов с пиковой мощностью в мегаватты;
• С синхронизацией мод — способны формировать фемтосекундные импульсы.

¶Применение

¶Медицина и косметология

Наиболее известная область применения — дерматология и косметология. Лазер с длиной волны 755 нм эффективно поглощается меланином, но слабее гемоглобином и водой, что позволяет избирательно разрушать пигментные клетки и волосяные фолликулы, не повреждая окружающие ткани. Александритовые лазеры используются для:

• эпиляции (удаления волос);
• лечения пигментных пятен, веснушек, невусов;
• удаления татуировок (пигменты зелёного, синего и чёрного цветов);
• лечения сосудистых образований.

В России александритовые лазеры для эпиляции стали массово применяться с начала 2000-х годов и составляют значительную долю парка косметологического оборудования.

¶Наука и техника

В научных исследованиях александритовые лазеры применяются как перестраиваемые источники излучения для спектроскопии, в том числе для накачки других лазеров — титан-сапфировых и красителей. В военной технике они используются в системах лазерного наведения и целеуказания (в частности, в комплексах 9К121 «Вихрь» вертолётного вооружения). В промышленности — для маркировки, резки и сварки тонких материалов.

¶Достоинства и ограничения

К достоинствам относятся широкая перестройка длины волны, хорошая теплостойкость кристалла по сравнению с рубином, высокая энергия импульса. К ограничениям — сложность выращивания качественных кристаллов большого объёма, сравнительно низкий КПД при ламповой накачке и вытеснение из ряда применений более экономичными диодно-накачиваемыми неодимовыми и титан-сапфировыми лазерами.

¶Примечания

Кристалл александрита в природе встречается в России (Урал), Бразилии, Шри-Ланке и Зимбабве; для лазерных целей используется синтетический хризоберилл.

¶Источники

• Басов Н. Г., Нандаев Д. А., Шпаковский И. С., Фирсов В. М. // Журнал технической физики, 1963.
• Шпаковский И. С. «Александритовые лазеры: от открытия до применения». — СПб.: СПбГУ ИТМО.
• Материалы Всероссийского научно-исследовательского института оптико-физических измерений (ВНИИОФИ).
• Walling J. C., Weichel E. E., Johnston J. P. // IEEE Journal of Quantum Electronics, 1980.
• Справочник «Лазеры в медицине и косметологии».