КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 25-13-00245
НазваниеХалькогенидные стекла, легированные ионами редкоземельных металлов, - новые лазерные материалы среднего инфракрасного диапазона: возможности, примесная чувствительность, методы получения
Руководитель Суханов Максим Викторович, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г.Девятых Российской академии наук , Нижегородская обл
Конкурс №104 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов
Ключевые слова Особо чистое халькогенидное стекло, редкоземельные элементы, методы получения, летучие соединения, химический паровый транспорт, очистка, химическая чистота, гетерогенные включения, оптические потери, лазерный материал, объемные и волоконные лазеры, средний ИК диапазон
Код ГРНТИ31.17.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Халькогенидные стекла, легированные ионами редкоземельных металлов (РЗМ), уже более 30 лет рассматриваются как перспективные источники люминесцентного и лазерного излучения в диапазоне 1–8 мкм. Такие источники в объемном и волоконном исполнении необходимы в составе стационарных и компактных мобильных спектрометрических систем для мониторинга производственных процессов, в экологическом мониторинге, медицинской диагностике, сфере безопасности, системах связи в открытом космосе. До 2020 года попытки продемонстрировать в легированных халькогенидных стеклах лазерную генерацию с длиной волны более 1 мкм были безуспешными из-за недостаточного уровня их чистоты. До этого же времени максимальной длиной волны лазера, полученного на фторидных стеклах, была 3.9 мкм. Авторами проекта предложен способ получения легированных селенидных стекол, в котором все компоненты шихты (Ge, Sb, Ga, Se) и прекурсоры РЗМ, подвергаются дополнительной очистке комбинированием методов дистилляции, сублимации и химического транспорта в условиях высокого вакуума. Новый уровень чистоты селенидных стекол позволил впервые достичь порога лазерной генерации на ионах Ce3+, Pr3+, Nd3+, Tb3+ в диапазоне 4.5–6 мкм в объемных образцах и волоконных световодах и продемонстрировать практически значимую выходную мощность в непрерывном режиме при комнатной температуре до 150 мВт. Настоящий проект направлен на определение спектральных и энергетических возможностей новых лазерных материалов среднего ИК диапазона – халькогенидных стекол (сульфидных, селенидных, теллуридных), легированных ионами РЗМ, в генерации лазерного излучения в диапазоне 2–8 мкм, определение лимитируемых примесей, установление степени и границ их влияния на эффективность лазерной генерации, формулирование обоснованных требований к их содержанию, разработку и совершенствование методов получения стекол требуемой чистоты.
Задачи проекта включают экспериментальные и теоретические исследования, направленные на определение возможности лазерной генерации в селенидных и теллуридных стеклах в недостижимом ранее диапазоне 7–8 мкм, в новом для сульфидных стекол диапазоне 2–4 мкм, на увеличение выходной мощности лазерного излучения с длиной волны 5.2 мкм в волоконных световодах на основе селенидных стекол до величин более 0.3 Вт, уточнение степени влияния примесей d-переходных металлов, металлов-аналогов (РЗМ), водорода, кислорода в форме SH-, SeH-групп, оксидов на возможность достижения и эффективность лазерной генерации в халькогенидных стеклах, определение природы гетерогенных включений, их источника и вклада в уровень оптических потерь в областях накачки и лазерной эмиссии, определение термодинамических условий одновременной химической паровой транспортной загрузки галлия и РЗМ в шихту в виде их йодидов и степень их очистки от указанных групп примесей, определение химической формы РЗМ в составе стекол, влияющей на спектрально-кинетические свойства люминесценции ионов РЗМ, определение теплофизических характеристик стекол и их стойкости к факторам внешней среды. Ожидается что решение задач проекта позволит снизить содержание примесей металлов в халькогенидных стеклах до уровня менее 0.1 мас. ppm (суммарно), примеси водорода в форме SeH-, SH-групп – менее 0.5 ат. ppm, гетерогенных включений микронного и субмикронного размера – менее 10^2 и 10^4 см-3, соответственно. В качестве объектов исследования выбраны сульфидные, селенидные и теллуридные стекла Ga5Ge20Sb10(S,Se)65, GeySbxSe100-x-y (10 ≤ x ≤ 20, 20 ≤ y ≤ 25), (Ga15Ge10Te75)100-x(AgI)x (0 ≤ x ≤ 60) легированные 0.05–2 мас.% Ce, Pr, Sm, Tb, Dy, Er, пригодные для получения массивных образцов и волоконных световодов.
Решение задач проекта расширит представления о физико-химии процессов получения особо чистых сульфидных, селенидных и теллуридных стекол, легированных редкоземельными металлами, создаст фундаментальную основу для развития объемных и волоконных лазерных источников диапазона 2–8 мкм.
Ожидаемые результаты
Ожидается, что результаты проекта позволят получить общую картину по спектральным и энергетическим возможностям новых лазерных материалов среднего ИК диапазона – халькогенидных стекол (сульфидных, селенидных, теллуридных), легированных ионами редкоземельных металлов, в генерации лазерного излучения диапазона 2–8 мкм, уточнить характер и границы влияния примесей ионов переходных металлов (Fe2+ и др.), элементов-аналогов (редкоземельных элементов), водорода и кислорода в форме SH-, SeH-, гетерогенных включений микронного и субмикронного размера на возможность получения лазерной генерации, обосновать требования к содержанию этих примесей, предложить способы получения сульфидных, селенидных и теллуридных стекол с новым уровнем чистоты (суммарное содержание металлов – менее 0.1 мас. ppm, водорода в форме SeH-, SH-групп – 0.5 ат. ppm, микронных и субмикронных гетерогенных включений – менее 10^2 и 10^4 см-3).
Авторы проекта являются первооткрывателями лазерной эмиссии в легированных селенидных стеклах в среднем ИК диапазоне, пионерами в разработке способов их получения с новым уровнем чистоты, впервые продемонстрировали лазерную генерацию в них с практически значимыми энергетическими выходными характеристиками. До настоящего времени в мировой научной литературе сведения об аналогичных достижениях у конкурирующих научных групп отсутствуют. Среди них исследовательские группы из Великобритании, Франции, Соединенных Штатов Америки, Китая, Польши (University of Nottingham, Nottingham, UK; Nottingham Trent University, Nottingham, UK; Fibercore Limited, Southampton Science Park, UK; Université de Caen, France; Université de Rennes, France; Naval Research Laboratory, Washington, USA; NASA Langley Research Center, Hampton, VA, USA; National Institute of Aerospace, Hampton, VA, USA; State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics, Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Xi’an, China; University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China; Wroclaw University of Science and Technology, Wroclaw, Poland). Благодаря работам авторов проекта в области создания объемных и волоконных источников лазерного излучения с длиной волны более 5 мкм Россия остается единственным мировым лидером. Для закрепления этого лидерства необходимо определить (уточнить) круг и содержание лимитируемых примесей в легированных халькогенидных стеклах, развивать предложенный подход и методы их получения в особо чистом состоянии. В научные результаты проекта войдут сведения о возможных новых летучих комплексных соединениях редкоземельных металлов на основе их йодов, термодинамические условия их существования, коэффициенты разделения примесей при транспортной загрузке редкоземельных металлов, условия и методика получения особо чистых легированных халькогенидных стекол, их теплофизические свойства.
Легированные редкоземельными металлами сульфидные, селенидные и теллуридные стекла, полученные с применением разрабатываемой методики, в виде объемных образцов и волоконных световодов, в качестве источников излучения среднего инфракрасного диапазона, где у десятков практически значимых соединений имеются сильные полосы поглощения, могут быть применены в высокочувствительной и высокоразрешающей внутрирезонаторной лазерной абсорбционной спектроскопии (ICLAS, Intracavity Laser Absorption Spectroscopy), в волоконно-оптической спектроскопии затухающих волн (FEWS, Fiber Evanescent Wave Spectroscopy) для диагностики социально значимых заболеваний (обнаружение следовых газов в выдыхаемом воздухе, которые могут указывать на астму, рак легких, диабет и другие), для онлайн контроля химических производственных процессов (мониторинг следовых газов в процессах сжигания, реакциях нефтехимического синтеза) и мониторинга загрязняющих веществ и парниковых газов в атмосфере. Ожидается, что использование разрабатываемых лазерных источников непрерывного действия в диапазоне 2–6 мкм позволит снизить пределы обнаружения целевых следовых газов в ICLAS на несколько порядков [P. Fjodorow, M.P. Frolov, Y.V. Korostelin, V.I. Kozlovsky, C. Schulz, S.O. Leonov, Y.K. Skasyrsky, Room-temperature Fe:ZnSe laser tunable in the spectral range of 3.7-5.3 µm applied for intracavity absorption spectroscopy of CO2 isotopes, CO and N2O, Opt. Express 29(8) (2021) 12033–12048; doi.org/10.1364/OE.422926.].
На взгляд авторов проекта его результаты можно охарактеризовать как прорывные.