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 22-12-20035
НазваниеРазработка и исследование материалов и компонентов с улучшенными свойствами для создания перспективных твердотельных лазерных источников среднего ИК диапазона
РуководительАнтипов Олег Леонидович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук", Нижегородская обл
Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2024 г. |
Конкурс№66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс).
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-303 - Физика лазеров
Ключевые словаТвердотельные лазерные системы; средний ИК-диапазон; нелинейно-оптические и лазерные кристаллы; параметрические преобразование; качество оптических материалов; оптический пробой; халькогенидные транспортные волокна
Код ГРНТИ29.33.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Лазерное излучение среднего инфракрасного (ИК) диапазона имеет множество применений в современных промышленных технологиях, дистанционном зондировании атмосферы, инспекции продуктопроводов, медицинской диагностике и хирургии и в других областях. На длинах волн среднего ИК диапазона находятся сильные линии колебательного поглощения многих материалов, позволяющих их однозначно идентифицировать или воздействовать на них. В этом же спектральном диапазоне находятся окна прозрачности атмосферы, позволяющие решать ряд специальных задач. Наличие сильного поглощения биологических тканей позволяет использовать излучение этого диапазона для хирургии с малыми коллатеральными повреждениями. В последнее десятилетие во многих лабораториях мира активно исследуются возможности создания высокоэффективных, мощных и компактных лазеров, генерирующих пучки излучения в среднем ИК диапазоне.
Несмотря на многочисленные приложения, средний ИК диапазон длин волн остаётся ещё недостаточно хорошо освоенным в лазерной физике. В последние годы усилия многих исследовательских групп во всём мире направлены на развитие мощных эффективных и компактных лазерных источников этого диапазона: квантово-каскадных полупроводниковых лазеров, газовых лазеров, твердотельных и волоконно-лазерных источников.
Настоящий проект направлен на разработку и исследование материалов и компонентов с улучшенными свойствами (такими как оптическая однородность, порог оптического пробоя, коэффициенты лазерного или нелинейно-оптического усиления) для перспективных твердотельных лазерных систем среднего ИК диапазона (на длинах волн 3-5 мкм).
Объектами исследований являются высокоэффективные нелинейно-оптические и лазерные кристаллы, предназначенные для генерации излучения, а также оптические волокна для транспортировки этого излучения. Улучшение характеристик этих материалов и компонентов является в настоящее время основной задачей для развития твердотельных лазерных источников среднего ИК диапазона.
Отдельными задачами проекта, объединёнными общей целью, являются:
- совершенствование методов роста и постростовой обработки нелинейно-оптических кристаллов ZGP с целью увеличения оптической однородности и порога оптического пробоя этих кристаллов в параметрических генераторах света (ПГС) под действием интенсивного импульсно-периодического излучения накачки на длине волны 2100 нм и генерации на длине волны 3,5-5 мкм;
- исследование новых схемных решений и режимов работы ПГС среднего ИК диапазона (на длинах волн 3,5-5 мкм), позволяющих получить высокую мощность генерации в пучках высокого качества при снижении энергетической нагрузки на торцы нелинейных элементов ZGP, обеспечивающей повышение порога оптического пробоя материала;
- совершенствование методов легирования кристаллов ZnSe и ZnS ионами Cr2+, их обработки и просветления с целью получения лазерных элементов высокого оптического качества и с высоким порогом оптического пробоя под действием двухмикронной лазерной или диодной накачки и пучков генерации;
- разработка состава и технологии изготовления халькогенидных волокон (многомодовых и одномодовых) для транспортировки мощного импульсно-периодического излучения в диапазонах длин волн 2100 нм, 3700-4800 нм ;
- разработка и создание опытных образцов мощных и компактных лазерных источников среднего ИК диапазона на основе ПГС на кристаллах ZGP и прямой лазерной генерации в кристаллах Cr:ZnSe(S), а также с использованием транспортных халькогенидных волокон.
Целевые параметры разрабатываемых лазерных систем среднего ИК диапазона являются рекордными на современном уровне развития твердотельной лазерной техники. Их достижение требует поиска новых подходов: использования новых лазерных и нелинейно-оптических материалов, а также новых схемных решений и методов нелинейно-оптического преобразования. Проект акцентирует внимание на исследовании фундаментальных характеристик (спектроскопических, оптических и нелинейно-оптических) высокоэффективных лазерных и нелинейно-оптических материалов, а также новой архитектуры построения мощных ПГС и лазерных генераторов.
Прикладными задачами проекта являются перспективные решения для создания опытных макетных образцов лазерных источников среднего ИК диапазона и приборов. Важность и значимость реализации проекта для Нижегородской области обусловлена необходимостью дальнейшего развития лазерных систем среднего ИК-диапазона, предназначенных для решения актуальных для региона задач экологического мониторинга, инспекции транспортных газопроводов, контроля производственных процессов нефтепереработки, медицинской диагностики и хирургии и других.
В проекте объединены усилия 4-х исследовательских групп (физиков, химиков и технологов), имеющих самостоятельные области компетенции. Взаимодействие этих групп, необходимое для достижения целей проекта, основывается на результатах предыдущих совместных исследований и подтверждается наличием совместных публикаций.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения настоящего проекта будут улучшены характеристики материалов и компонентов для высокоэффективных лазерных источников среднего ИК диапазона.
Основные ожидаемые результаты проекта следующие:
- повышение порога оптического пробоя и увеличение нелинейного усиления нелинейно-оптических элементов из кристаллов ZGP;
- повышение эффективности и надёжности ПГС среднего ИК диапазона на основе ZGP;
- улучшение оптической однородности и повышение порога оптического пробоя лазерных элементов Cr:ZnSe (CR:ZnS);
- создание оптических волокон (многомодовых и одномодовых) для транспортировки мощного излучения среднего ИК диапазона.
Планируемые исследования направлены на создание твердотельных источников излучения среднего ИК диапазона с рекордной (в мире) мощностью (в среднем по времени) в пучках высокого качества, близкого к дифракционному пределу.
Результаты исследований могут быть использованы для создания приборов медицинской диагностики и хирургии, дистанционного мониторинга, контроля производственных процессов в нефте- и газопереработке, прецизионной обработке материалов и в других областях, в том числе и для специальных применений.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Лазерное излучение среднего инфракрасного (ИК) диапазона имеет множество применений в современных промышленных технологиях, дистанционном зондировании атмосферы, инспекции продуктопроводов, медицинской диагностике и хирургии и в других областях. Настоящий проект направлен на разработку и исследование материалов и компонентов с улучшенными свойствами (такими как оптическая однородность, порог оптического пробоя, коэффициенты лазерного или нелинейно-оптического усиления) для перспективных твердотельных лазерных систем среднего ИК диапазона (на длинах волн 3-5 мкм).
В 2022 году выполнялись исследования в соответствии с планом работ проекта. Выполнены все запланированные исследования. В качестве конкретных научных результатов можно отметить следующие.
Произведён синтез соединений ZnGeP2 (ZGP) с отклонениями от стехиометрии химического состава. Для этого использовался модифицированный двух температурный метод с повышением температуры холодной зоны после реакции. В качестве легирующих примесей в монокристалл ZGP добавлялись элементы Mg, Se или Ca. Измерены пороги лазерного пробоя (ПЛП) под действием импульсно-периодического излучения Ho3+:YAG лазера (на длине волны 2097 нм) и электропроводность образцов ZGP. В результате этих измерений обнаружено, что легирование кристаллов ZGP химическими элементами Mg и Se, приводящее к снижению удельной электропроводимости образцов, обеспечивает рост ПЛП. С другой стороны, легирование Ca, приводящее к возрастанию удельной электропроводимости образцов ZGP, даёт уменьшение ПЛП.
Выращены кристаллы ZGP с разной степенью очистки от остатков непрореагировавших бинарных фосфидов и исходных химических компонент: Ge, Zn3P2, ZnP2, GeP. При росте монокристаллов ZGP помимо продольного температурного градиента, формировался радиальный перепад температур между противоположными стенками тигля в 20оC. Данное техническое решение позволяет оттеснить дефекты кристаллической решетки из центральной части слитка к краю, который в последствии стравливается или срезается. Измерены ПЛП полученных образцов ZGP под действием импульсно-периодического излучения Ho3+:YAG лазера на длине волны 2097 нм. В результате показано, что очистка синтезированного соединения, уменьшившая поглощение на длине волны 2,1 мкм более чем в два раза, не даёт заметных изменений в ПЛП. В то же время изменение радиального градиента температуры и смещение области минимальной температуры к краю слитка позволяют повысить ПЛП в большей части слитка более чем в 4 раза.
Сравнительные исследования ПЛП на длине волны 2097 нм для кристаллов ZGP, выращенных в ООО “ЛОК” (Томск) и Харбинском институте технологий (Харбин, КНР), подтвердили, что основным фактором качества кристаллов, увеличивающим ПЛП, является уменьшение плотности дислокаций кристаллической решётки.
В результате численных исследований кольцевых резонаторов параметрических генераторов света (ПГС) на элементах ZGP определены зависимости параметров основной моды от геометрической длины резонатора, положения внутрирезонаторных элементов, фокусного расстояния тепловой линзы, наводимой в нелинейном элементе пучком накачки с варьируемой мощностью и частой повторения импульсов.
В результате экспериментальных исследований энергетических характеристик выходного излучения ПГС на основе ZGP с одновременной визуализацией изменений показателя преломления в объеме кристалла при помощи цифровой голографической камеры установлено, что при увеличении плотности энергии пучка накачки свыше 1 Дж/см2 прекращается рост КПД параметрической генерации, уменьшается пропускание лазерного излучения и наблюдается потемнение канала распространения лазерного пучка в объеме кристалла. С уменьшением частоты следования импульсов (до 10 кГц) и увеличением энергии импульсов указанные эффекты становятся более ярко выраженными.
Высокоэффективная генерация реализована в непрерывном и импульсно-периодическом режимах на длинах волн 1987-1994 ни, 1935-1941 нм и 1892-1897 нм в лазерах на кристаллах Tm3+:YAP с резонансной волоконно-лазерной накачкой на 1670 нм. Перестройка длины волны лазерной генерации между отдельными линиями достигнута путём контролируемого изменения мощности накачки, кривизны и спектра отражения выходного зеркала. Наибольшая выходная мощность в пучке высокого качества в непрерывном режиме достигала 12,2 Вт; в импульсно-периодическом режиме при активной модуляции добротности средняя мощность составила 9,8 Вт. За счёт использования насыщающегося поглотителя на кристалле Cr2+:ZnSe реализована пассивная модуляция добротности Tm3+:YAP лазера с генерацией импульсов с энергией 2,7 мДж при частоте их следования 500 Гц. Импульсно-периодические Tm3+:YAP лазеры представляются перспективными для накачки ПГС среднего ИК диапазона.
Исследованы процессы диффузии Cr в ZnSe, сублимации, изменения примесного состава и уменьшения числа дефектов в ZnSe в условиях баротермического воздействия в атмосфере аргона (HIP-обработка). Разработана методика создания оптических элементов из селенида цинка, легированного Cr, и определены оптимальные условия легирования в процессе HIP-обработки, которые составили по температуре 1200-1250 оC, а по давлению 90-130 МПа, время обработки 28-48 часов. Выбор оптимальных температур определялся скоростью диффузии хрома в ZnSe, а также оптическими характеристиками получаемых лазерных сред.
Определены вероятность оптического пробоя и ПЛП для образцов из поликристаллов ZnSe, Cr2+:ZnSe и Fe2+:ZnSe, изготовленных по различной методике. Наибольшим ПЛП под действием импульсно-периодического излучения Ho3+:YAG лазера на длине волны 2091 нм обладали образцы, отожжённые в атмосфере Ar. Выявлено, что в образцах, отожжённые в атмосфере Zn или при HIP-обработке, ПЛП снижался. Измеренный ПЛП на длине волны 2091 нм для образцов из Cr2+:ZnSe оказался ниже, чем для образцов ZnSe, легированных Fe2+ или без активатора. Пороговая плотность энергии уменьшалась с ростом частоты повторения импульсов и времени экспозиции.
Для изготовления световодов ИК диапазона получены высокочистые стёкла химических составов As2S3, Ge20.5As22Se57.5, Ge35As10S55. После многоступенчатой очистки контролируемое содержание субмикронных частиц в стёклах составило менее 10^{-3} см^{-3}. Контролируемое содержание лимитируемых примесей составило 10^{-4} ат. %.
В результате “Z-сканирования тепловой линзы” определён эффективный коэффициент тепловой нелинейности стёкол Ge35As10S55: n_2= 5,1-5,8×10^{-5} см2/Вт, для квазинепрерывного лазерного излучения на длине волны 1908 нм.
Определён порог оптического пробоя пластин Ge35As10S55 под действием квазинепрерывного излучения одномодового тулиевого волоконного лазера ЛМТ-50 на длине волны 1908 нм, который по 0-ой вероятности составил 35 кВт/см2 по интенсивности.
Таким образом, все запланированные в отчетном периоде научные результаты достигнуты.
Публикации
1. Н.Н. Юдин, Д.В. Власов, О.Л. Антипов, А.И. Грибенюков, М.М. Зиновьев, С.Н Подзывалов, Е.С. Слюнько, Н.А. Юдин, М.М. Кулеш, В.С.Кузнецов ВИЗУАЛИЗАЦИЯ И ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ПРЕДПРОБОЙНЫХ ПРОЦЕССОВ В ОБЪЕМЕ МОНОКРИСТАЛЛА ZnGeP2 ВО ВРЕМЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ В ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН 3,5-5 МКМ ПРИ НАКАЧКЕ ИЗЛУЧЕНИЕМ Ho: YAG ЛАЗЕРА Известия вузов. Физика., - (год публикации - 2022)
2. О.Л. Антипов, А.А. Добрынин, Ю.А. Гетмановский, В.В. Шарков, И.А. Шестакова, С.С. Балабанов, С.В. Ларин CW and Q-Switched Operations of a Tm3+:YAP Laser at 1892-1994 nm In-Band Fiber-Laser Pumped at 1670 nm Laser Physics, том. 32, Number 8, 085802 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1088/1555-6611/ac7ec7
3. Юдин Н., Антипов О., Грибенюков А, Верозубова Г., Леи Ж., Зиновьев М., Подзывалов С., Слюнько Е., Воеводин В., Завьялов А., Янг С. Laser-Induced Damage Threshold of Single Crystal ZnGeP2 at 2.1 µm: The Effect of Crystal Lattice Quality at Various Pulse Widths and Repetition Rates Crystals, № 12(5), 652 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/cryst12050652
4. Юдин Н.Н., Антипов О.Л, Балабанов С.С., Еранов И.Д, Гетмановский Ю.А, Слюнько Е. Effects of the Processing Technology of CVD-ZnSe, Cr2+:ZnSe, and Fe2+:ZnSe Polycrystalline Optical Elements on the Damage Threshold Induced by a Repetitively Pulsed Laser at 2.1 µm Ceramics, № 5(3), p. 459–471 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/ceramics5030035
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Лазерное излучение среднего инфракрасного (ИК) диапазона имеет множество применений в современных промышленных технологиях, дистанционном зондировании атмосферы, инспекции продуктопроводов, медицинской диагностике и хирургии и в других областях. Настоящий проект направлен на разработку и исследование материалов и компонентов с улучшенными свойствами (такими как оптическая однородность, порог оптического пробоя, коэффициенты лазерного или нелинейно-оптического усиления) для перспективных твердотельных лазерных систем среднего ИК диапазона (на длинах волн 3-5 мкм).
В 2023 году выполнялись исследования в соответствии с планом работ проекта. Выполнены все запланированные исследования. В качестве конкретных научных результатов можно отметить следующие.
Синтезировано соединение ZnGeP_2 (ZGP) номинально стехиометрического состава с контролируемым внесением примеси, ~ 1 вес. % Ca, Mg, Se. Из синтезированных поликристаллических слитков с различным примесным составом выращены монокристаллы ZGP большого диаметра - до 30 мм. Из выращенных монокристаллов изготовлены нелинейно оптические элементы, на которые после полировки нанесены просветляющие покрытия. Измерения спектров поглощения этих образцов в среднем и дальнем ИК диапазонах подтвердили их высокое оптическое качество.
- Определены пороги лазерного пробоя (ПЛП) кристалла ZGP внутри резонатора параметрического генератора света (ПГC), который накачивался излучением импульсно-периодического Ho:YAG лазера на длине волны 2097 нм, в зависимости от условий синтеза и роста, а также от постростовой обработки материала в широком диапазоне температур. Результаты измерений температурной зависимости ПЛП кристалла ZGP в процессе параметрической генерации продемонстрировали существенный рост этого порога, особенно заметный при снижении температуры с +100 до –60°С. Полученные результаты свидетельствуют о том, что увеличение плотности мощности накачки без пробоя, возможное при понижении температуры ZGP, может способствовать повышению эффективности генерации и средней мощности генерируемого излучения.
- В результате экспериментальных исследований процессов накопления, влияющих на оптический пробой кристалла в процессе нелинейного преобразования излучения, определены границы режимов параметрической генерации, при которых минимизированы негативные эффекты накопления, являющиеся следствием нелинейного поглощения. Полученные результаты указывают на то, что накачка кристалла ZGP при плотности энергии меньше 1 Дж/см^2 (при частоте повторения импульсов 10...20 кГц), позволяет нивелировать эффекты накопления, инициирующие оптический пробой.
- В результате исследования режимов и времени непрерывной работы ПГС на ZGP до оптического пробоя показано, что оптимизация режима накачки с целью минимизации эффекта нелинейного поглощения, проявляющегося при плотности энергии излучения накачки выше 0,9-1 Дж/см^2, позволяет повысить время непрерывной работы ПГС более чем в 10 раз.
- Впервые создан перестраиваемый узкополосный источник когерентного излучения на основе ПГС на ZGP, генерирующий излучение в диапазоне длин волн от 3,5 до 5 мкм по первому типу синхронизма. Создан ПГС на кристалле ZGP с линейным резонатором и фильтром Лио, генерирующий излучение со спектральной шириной 1 см^{-1} и импульсной энергией до 100 мкДж при частоте следования импульсов 10 кГц и их длительности 26 нс. Диапазон перестройки сигнальной волны составил от 3,3 до 4,2 мкм. При этом время непрерывной работы ПГС достигало 1,5 часа. Расходимость генерируемого излучения не превышала 1,5 мрад. Разработанная методика позволяет создавать узкополосные перестраиваемые источники излучения с высокой мощностью на высоких частотах следования импульсов, от 10...100 кГц.
- Разработан, создан и исследован ПГС на кристалле ZGP c кольцевым резонатором. За счет использования внутрирезонаторного селектора реализована генерация сигнальной волны с шириной линии менее 5 нм с энергией в импульсах до 0,4 мДж. Длина сигнальной волны ПГС перестраивалась в пределах 3600-4100 нм, холостой - в пределах 4300-5000 мкм. Перестройка осуществлялась за счёт поворота оси нелинейного элемента и изменения его температуры.
- В результате исследований процессов диффузии Cr в сульфиде цинка (ZnS), изменения примесного состава, структуры и уменьшения числа дефектов в ZnS в условиях баротермического воздействия в атмосфере аргона (HIP-обработка) разработана методика создания оптических элементов из ZnS, легированного Cr^{2+}. Определены оптимальные условия легирования в процессе HIP-обработки, которые составили T=1250-1300°C, P=90-130 МПа, время обработки 28-52 часов. Выбор оптимальных температур определялся скоростью диффузии хрома в ZnS, а также оптическими характеристиками получаемых лазерных сред. Получены образцы Cr^{2+}:ZnS с концентрацией хрома в широком диапазоне от 5х10^{17} до 3х10^{19} см^{-3} и минимальным содержанием рассеивающих центров с пропусканием, близким к теоретическому пределу.
- Изготовлены (синтезированы) халькогенидные стекла модифицированных составов для исследования характеристик материалов под воздействием проходящего излучения. Определены пороги оптического пробоя серии новых халькогенидных стёкол под действием импульсно-периодического излучения Ho:YAG лазера на длине волны 2097 нм и ПГС на ZGP на длине волны 3,8 мкм (сигнальная) и 4,6 мкм (холостая).
Таким образом, все запланированные в отчетном периоде научные результаты достигнуты. По результатам работ опубликовано 4 статьи в международных журналах, входящих в базы данных WoS и Scopus (1 статья на русском языке и 3 англоязычные статьи). Представлен 1 приглашённый доклад и 1 устный доклад на международных конференциях, а также приглашённая лекция на Международной школе молодых учёных.
Публикации
1. Антипов О.Л. High efficiency in-band pumped Tm- and Ho-doped 2-μm solid-state lasers Journal of Physics: Conference Series, 2494, 012009 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1088/1742-6596/2494/1/012009
2. Антипов О.Л., Добрынин А.А., Гетмановский Ю.А., Караксина Э.В., Ширяев В.С., Суханов М., Котерева Т. Thermal Lensing and Laser-Induced Damage in Special Pure Chalcogenide Ge35As10S55 and Ge20As22Se58 Glasses under Quasi-CW Fiber Laser Irradiation at 1908 nm Photonics MDPI, т. 10, вып. 3, стр. 252. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/photonics10030252
3. Власов Д.В., Юдин Н.Н., Антипов О.Л. , Зиновьев М.М., Грибенюков А.И., Подзывалов С.Н., Слюнько Е.С., Юдин Н.А., Кузнецов В.С., Лысенко А.Б., Кальсин А.Ю., Воеводин В.И., Черемис М.А. Перестраиваемый в диапазоне длин волн 3.3−4.2 мкм параметрический генератор света на базе монокристалла ZnGeP2 со спектральной шириной генерируемого излучения 1 см–1 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ . ФИЗИКА, T. 66, № 10, стр. 17-22 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17223/00213411/66/10/2
4. Юдин Н.Н., Дёмин В., Грибенюков А.И., Антипов О.Л., Худолей А.Л., Кинявский И., Зиновьев М., Подзывалов С., Кузнецов В., Слюнько Е., Лысенко А., Кальсин А., Еранов И.Д., Балбаки Х. Physical and technological aspects of laser induced damage of ZGP single crystals under periodically-pulsed laser irradiation at 2.1 μm Photonics MDPI, 10(12), 1364 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/photonics10121364