Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Выполнены исследования особенностей синтеза ультрадисперсных порошков со сложным химическим составом (TmxHoyY1–x–y)2O3 (далее Tm,Ho:Y2O3) методом лазерной абляции твёрдой мишени с последующей конденсацией паров в потоке атмосферного или синтетического воздуха. Показано, что независимо от соотношения активаторов Tm3+/Ho3+ и содержания водяных паров в буферном газе материал кристаллизуется в метастабильной моноклинной фазе (пространственная группа симметрии C2/m, a=13.916 Å, b=3.502 Å, c=8.634 Å, β =100.35°) в виде мягких агрегатов наночастиц, имеющих сферическую форму и размеры в диапазоне от 10 до 40 нм. Проведена модернизация лазерного комплекса и реализована бесконтактная методика сбора синтезированных нанопорошков. С помощью визуализации оптических неоднородностей в керамике посредством съёмки светлого поля в проходящем свете обнаружено, что разработанные технологические приёмы позволили значительно уменьшить количество пылевых частиц и иных посторонних включений как в нанопорошках, так и в спечённых образцах. В результате твердофазного спекания материал претерпевал фазовое превращение и представлял собой твёрдый раствор оксидов тулия/гольмия в Y2O3 с кубической структурой типа биксбиита (пространственная группа симметрии Ia-3, a=10.595 Å). Установлены зависимости морфологических (средний размер кристаллитов, содержание рассеивающих центров и их распределение по глубине) и оптических (коэффициент пропускания, коэффициент экстинкции) характеристик Tm,Ho:Y2O3 керамик от условий спекания. Впервые путём консолидации нанопорошковых компактов в условиях высокого вакуума при температуре ~1750 °С получены высокопрозрачные Tm,Ho:Y2O3 керамики толщиной 2 мм, обладающие коэффициентом пропускания до 81.6% при λ=600 нм и 83.0% при λ=1000 нм, что в пределах погрешности измерений совпадает с предельными значениями пропускания Y2O3, рассчитанными с использованием известных значений показателя преломления. На основании измеренных спектров поглощения, обусловленных переходами с основного состояния 3H6 ионов Tm3+ и 5I8 ионов Ho3+ на соответствующие возбужденные мультиплеты, были определены значения сил осцилляторов, а также методом Джадда-Офельта найдены параметры интенсивности Ωt (t=2,4,6) для Tm:Y2O3 и Ho:Y2O3 керамик. С использованием определённых параметров интенсивности Ωt (t=2,4,6) выполнена оценка вероятностей ряда оптических переходов трёхвалентных ионов тулия и гольмия, установлены коэффициенты ветвления люминесценции и рассчитаны значения времён жизни уровней 3F4 ионов Tm3+ и 5I7 ионов Ho3+. Анализ спектров люминесценции керамик с различным соотношением Tm3+/Ho3+ выявил наличие перераспределения интенсивностей спектральных линий, относящихся к ионам тулия и гольмия, что свидетельствует о передаче энергии с уровня 3F4 ионов Tm3+ на уровень 5I7 ионов Ho3+. Совокупность высокого оптического пропускания образцов, наличие интенсивной полосы поглощения в окрестности 0.8 мкм (σabs=4.44×10–21 см^2) и безызлучательного переноса энергии обеспечивает возможность получения эффективной лазерной генерации вблизи 2.1 мкм на переходе 5I7→5I8 ионов Ho3+ при возбуждении на уровень 3H4 ионов Tm3+. При накачке активного элемента из пробного образца Tm,Ho:Y2O3 керамики на длине волны 0.77 мкм продемонстрирована непрерывная генерация лазерного излучения в области 2.09 мкм с выходной мощностью 230 мВт и дифференциальной эффективностью 35%. Полученные результаты докладывались и обсуждались на трёх научных конференциях, а также приняты к печати в виде двух статей в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в библиографической базе данных Russian Science Citation Index (RSCI).

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках реализации проекта на втором этапе выполнены исследования возможностей повышения оптической однородности Tm,Ho:Y2O3 керамик посредством устранения макро- и микроскопических дефектов с помощью улучшения равномерности укладки нанопорошков при компактировании, избавления от частиц с диаметром >0.3 мкм, а также обработки предварительно спечённых образцов методом горячего изостатического прессования (ГИП). Синтез наноразмерных частиц Tm,Ho:Y2O3 для последующего изготовления керамик производился путём лазерной абляции твёрдых мишеней с дальнейшей конденсацией паров в потоке воздуха. Показано, что использование просеивания и седиментации в качестве стадий подготовки нанопорошков к компактированию одноосным статическим прессованием, равно как и формование заготовок в условиях всестороннего обжатия (холодным изостатическим прессованием) не оказывает положительное влияние на оптическое и структурное совершенство керамик, полученных с помощью вакуумного спекания при температуре 1750 °С в течение 5 ч. Несмотря на относительно высокий коэффициент пропускания в ближней ИК-области (~80%), в данных образцах наблюдалось слабое нарастание прозрачности в УФ и видимом диапазонах из-за скопления мелких пор в центральной части либо повышенного содержания дефектов шарообразной формы диаметром 0.2–0.7 мм. С целью проведения ГИП в отсутствии инкапсулирования образцов изучена эволюция микроструктуры Tm,Ho:Y2O3 керамик при термообработке и установлены условия, приводящие к закрытию пор в материале. Найдены зависимости относительной плотности и среднего размера кристаллитов керамики от температуры спекания. Согласно полученным данным, оптимальным температурным диапазоном предварительного вакуумного спекания Tm,Ho:Y2O3 керамик применительно к достижению плотности >90%, устранению открытой пористости и сохранению мелкокристаллической структуры является 1550–1650 °С. На основе всестороннего анализа оптических (коэффициент пропускания (Т), коэффициент экстинкции (α), визуализация дефектов в проходящем свете) и микроструктурных (характерный размер кристаллитов (G), среднее объёмное содержание рассеивающих центров (p) и их распределение по глубине) характеристик Tm,Ho:Y2O3 керамик, синтезированных с использованием различных температур предварительного спекания и последующего ГИП, установлены закономерности изменения целевых свойств образцов. Обнаружено, что наилучшие характеристики (T=75.1% и 81.9% на длине волны 400 нм и вблизи 1 мкм, соответственно; α=0.003 см^−1 в области 1 мкм; G~7 мкм; p=4×10^−5 об.%) достигались в керамике, предварительно спечённой при 1650 °С в течение 2 ч и подвергнутой ГИП при 1750 °С и давлении 200 МПа в течение 5 ч. Параметры оптического качества (T и α) Tm,Ho:Y2O3 керамик, синтезированных в рамках данного проекта, превосходят показатели, достигнутые для образцов похожего состава научными коллективами из Китая, США и Франции, и близки к рекордным значениям, продемонстрированным объединённой группой из Сингапура (Nanyang Technological University) и Китая (Jiangsu Normal University), являющейся одним из лидеров в области создания керамических лазерных сред на основе оксидов редкоземельных элементов. Благодаря наличию безызлучательного переноса энергии с уровня 3F4 (Tm3+) на уровень 5I7 (Ho3+) впервые в оксиде иттрия, соактивированном ионами Tm3+ и Ho3+, продемонстрирована генерация лазерного излучения на оптическом переходе 5I7→5I8 (Ho3+) с помощью накачки уровня 3H4 (Tm3+) на длине волны ~0.8 мкм. Максимальные генерационные характеристики реализовывались с использованием выходного зеркала с пропусканием 5%, при котором лазер генерировал излучение на длине волны 2086 нм с выходной мощностью 256 мВт и дифференциальной эффективностью 41.9%. Результаты докладывались и обсуждались на одной международной конференции, а также приняты к печати в виде статьи в рецензируемом научном издании, индексируемом базой данных Russian Science Citation Index (RSCI).