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.

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.