Перспективные лазеры среднего ИК-диапазона на кристаллах соединений A2B6 с ионами переходных металлов

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 17-79-20431

НазваниеПерспективные лазеры среднего ИК-диапазона на кристаллах соединений A2B6 с ионами переходных металлов

Руководитель Лазарев Владимир Алексеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-602 - Моделирование технических систем

Ключевые слова спектроскопия, кристаллы группы A2B6, твердотельный лазер, средний ИК-диапазон, синхронизация мод, фемтосекундный лазер, микрорельеф, просветление кристаллов, плазмохимическое травление

Код ГРНТИ29.33.15, 29.33.47

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Лазеры среднего ИК диапазона (2-5 мкм) имеют широкие применения в лазерной локации в атмосфере, высокоразрешающей спектроскопии, метрологии, мониторинге загрязнения окружающей среды, медицине, биологии и системах противодействие террористической угрозе летательным аппаратам. В этой области имеется ряд перспективных разработок, которые, однако, обладают существенными недостатками. Газовые DF/HF – лазеры довольно громоздки, используют токсичные газы, их длина волны излучения меньше 4 мкм. СО – лазеры имеют те же недостатки, а длина волны излучения превышает 5 мкм. Квантово-каскадные лазеры основываются на высоком уровне эпитаксиальной технологии, которая в России практически отсутствует. Кроме того на этих лазерах трудно получить импульсы высокой энергии. Оптический параметрический генератор все еще недостаточно надежен. Относительно новым перспективным классом лазеров являются лазеры на кристаллах соединений А2В6 с ионами переходных металлов, которые в настоящее время еще далеки от коммерческого использования. Предлагаемый проект направлен на решение проблем создания малогабаритных эффективных и надёжных лазеров среднего ИК диапазона (2-5 мкм). Данный диапазон в принципе перекрывается перестраиваемыми лазерами на кристаллах Cr2+:CdSe, Cr2+:ZnSe и Fe2+:ZnSe. Однако для реализации высокой эффективности и надежности этих лазеров имеются проблемы с качеством анизотропного кристалла Cr2+:CdSe (наличие малоугловых границ между слабо разориентированными блоками), высоким френелевским отражением от оптических поверхностей кристаллов и существенным снижением лучевой прочности при использовании просветляющих покрытий. Для достижения поставленной цели и решения перечисленных проблем в проекте будет решаться следующий комплекс задач теоретического и прикладного характера. 1. Исследование и оптимизация ростовых условий анизотропного кристалла Cr2+:CdSe с целью уменьшения угла разориентации между блоками кристалла и получения концентрации легирующей примеси на уровне (1 – 5)×1018 см-3. 2. Выращивание кристаллов Cr2+:CdSe с улучшенными характеристиками (укрупнённые блоки, малые углы разориентации между блоками, повышенная концентрация легирующей примеси), а также кристаллов Cr2+:ZnSe и Fe2+:ZnSe для проведения экспериментов по формированию просветляющего микрорельефа на рабочих поверхностях кристаллов. 3. Разработка наиболее эффективного способа просветления рабочих граней лазерных кристаллов среднего ИК-диапазона путем создания микрорельефа на этих гранях. Для этого будут исследованы различные подходы: - создание микрорельефа путем прямой лазерной абляцией фемтосекундными импульсами при сканировании лазерного пучка по поверхности грани кристалла; - создания микрорельефа широкоапертурной абляцией с помощью интерференционной картины, формируемой излучением мощного эксимерного лазера; - нанесение и обработка масок на основе титановых плёнок с последующим травлением в атмосфере метана для создания просветляющего микрорельефа; - формообразования маски с помощью высаживания коллоидных частиц с последующим вытравливанием микрорельефа на рабочих гранях кристаллов. 4. Проведение исследований оптических характеристик выращенных кристаллов, а также кристаллов с микрорельефом для создания перспективных энергоэффективных лазеров среднего ИК-диапазона. 5. Создание высокоэффективных лазеров среднего ИК-диапазона на кристалле Cr2+:CdSe, выращенном при оптимальных условиях, а также лазеров на кристаллах Cr2+:CdSe, Cr2+:ZnSe и Fe2+:ZnSe с просветленными гранями. 6. Исследование характеристик созданных лазеров, в частности лучевой прочности активных кристаллов и других оптических элементов, что определяет надежность работы лазера. Решение указанных задач позволит создать новые высококачественные монокристаллы Cr2+:CdSe, а также кристаллы Cr2+:CdSe, Cr2+:ZnSe и Fe2+:ZnSe с просветлёнными рабочими гранями и высокой лучевой прочностью, что позволит существенно увеличить мощность, эффективность и надежность лазеров, плавно перестраиваемых в среднем ИК диапазоне (2-5 мкм). Такие лазеры найдут широкое применение в биомедицине, томографии, оптике атмосферы, спектроскопии стандартах частоты и оптике аттосекундных импульсов. Реализация проекта направлена на развитие лаборатории стабилизированных лазерных систем научно-образовательного центра «Фотоника и ИК-техника» под руководством молодого учёного канд. техн. наук Лазарева В. А., которая открыта в феврале 2017 года. В состав лаборатории вошли 2 аспиранта и 6 студентов (средний возраст сотрудников 23,5 года). Проект направлен на развитие научной карьеры молодых ученых, формирование исследовательской команды высоко уровня, расширение горизонтов сотрудничества с молодыми учёными ФИАН, ИФТТ РАН, ИОФ РАН и – на международном уровне – с группой проф. П. Лапорта Миланского политехнического института.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Тарабрин М. К., Лазарев В. А. Томилов С. М., Карасик В. Е., Тучин В. В. Broadband tunable mid-IR Cr2+:CdSe lasers for medical applications Proc. SPIE 10717, Saratov Fall Meeting 2017: Laser Physics and Photonics XVIII; and Computational Biophysics and Analysis of Biomedical Data IV, Proc. SPIE 10717, paper 1071707 (год публикации - 2018)
10.1117/12.2315035

2. Михаил К. Тарабрин, Андрей А. Бушунов, Владимир А. Лазарев, Валерий Е. Карасик, Дмитрий Е. Свиридов, Юрий В. Коростелин, Ян К. Скасырский, Михаил П. Фролов и Владимир И. Козловский Fabrication of broadband antireflection microstructures on ZnSe single crystal for mid-IR applications OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2018), paper AM6A.13 (год публикации - 2018)
10.1364/ASSL.2018.AM6A.13

3. Михаил К. Тарабрин, Дмитрий В. Устинов, Сергей М. Томилов, Владимир А. Лазарев, Валерий Е. Карасик, Владимир И. Козловский, Юрий В. Коростелин, Ян К. Скасырский и Михаил П. Фролов Highly efficient continuous wave single mode Cr:CdSe laser with output power more than 2 W OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2018), paper AW3A.8 (год публикации - 2018)
10.1364/ASSL.2018.AW3A.8

4. Михаил К. Тарабрин, Дмитрий В. Устинов, Сергей М. Томилов, Владимир А. Лазарев, Валерий Е. Карасик, Владимир И. Козловский, Юрий В. Коростелин, Ян К. Скасырский и Михаил П. Фролов High-efficiency continuous-wave single-mode room-temperature operation of Cr:CdSe single-crystal laser with output power of 2.3 W Optics Express, Vol. 27, Issue 9, pp. 12090-12099 (год публикации - 2019)
10.1364/OE.27.012090

5. Андрей А. Бушунов, Михаил К. Тарабрин, Владимир А. Лазарев, Валерий Е. Карасик, Юрий В. Коростелин, Михаил П. Фролов, Ян К. Скасырский и Владимир И. Козловский Fabrication of anti-reflective microstructures on chalcogenide crystals by femtosecond laser ablation Optical Materials Express, Vol. 9, Issue 4, pp. 1689-1697 (год публикации - 2019)
10.1364/OME.9.001689

6. В. А. Лазарев Перспективные твердотельные лазеры среднего ИК-диапазона Лазеры в науке, технике, медицине: Сборник трудов., Лазеры в науке, технике, медицине: Сборник трудов. Том 29. (год публикации - 2018)

7. Андрей А. Бушунов, Михаил К. Тарабрин, Владимир А. Лазарев, Валерий Е. Карасик, Юрий В. Коростелин, Михаил П. Фролов, Ян К. Скасырский и Владимир И. Козловский Anti-reflection microstructures for 2-6 µm range fabricated with direct fs laser ablation Frontiers in Optics + Laser Science APS/DLS, The Optical Society (Optical Society of America, 2019), paper JTu3A.22, Frontiers in Optics + Laser Science APS/DLS, The Optical Society (Optical Society of America, 2019), paper JTu3A.22 (год публикации - 2019)
10.1364/FIO.2019.JTu3A.22

8. А. Бушунов, М. Тарабрин, В. Лазарев Numerical calculation of asymmetric antireflection microstructures spectral transmission dependency on polarization Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1348 (год публикации - 2019)
10.1088/1742-6596/1348/1/012039

9. Андрей А. Бушунов, Андрей А. Тесленко, Михаил К. Тарабрин, Владимир А. Лазарев, Геннадий Е. Снопатин, Василий В. Колташев, Виктор Г. Плотниченко As2S3 Glass Mid-IR Transmission Enhancement with Femtosecond Laser Treatment CLEO USA (год публикации - 2020)

10. Исаенко Л.И., Лазарев В.А., Тарабрин М.К,, Бушунов А.А. Тесленко А.А. Елисеев А.П., Лобанов С.И., Голошумова А.А,, Курусь А.Ф. Создание антиотражающей микроструктуры на поверхности кристаллов GaSe фемтосекундной лазерной абляцией Фундаментальные проблемы современного материаловедения, Том 16, выпуск 4 (год публикации - 2019)
10.25712/ASTU.1811-1416.2019.04.004

11. Тарабрин М.К., Назаров Д.А., Лазарев В.А Непрерывный перестраиваемый в диапазоне 2,1 – 2,3 мкм лазер для медицинских применений Лазеры в науке, технике, медицине: Сборник научных трудов, Том 30 (год публикации - 2019)

12. Андрей А. Бушунов, Михаил К. Тарабрин и Владимир А. Лазарев Review of surface modification technologies for mid-infrared antireflection microstructures fabrication Laser & Photonics Reviews (год публикации - 2020)

13. Андрей А. Бушунов, Андрей А. Тесленко, Михаил К. Тарабрин, Владимир А. Лазарев, Людмила. И. Исаенко, Александр. П. Елисеев и С. И. Лобанов Fabrication of antireflection microstructure on the surface of GaSe crystal by single pulse femtosecond laser ablation Optics Letters (год публикации - 2020)

14. Дмитрий Власов, Глеб Коновалов, Игорь Андреев, Юрий Яковлев, Василий Воропаев, Александр Донодин, Михаил Тарабрин, Даниил Батов, Владимир Лазарев и Валерий Карасик Speed characterization of p–i–n photodiode based on GaSb/GaInAsSb/GaAlAsSb heterostructure with frontal bridge contact for 0.9 – 2.4 μm spectral range Applied Optics (год публикации - 2020)

15. T. T. Fernandez, M. K. Tarabrin, Yu. Wang, V. A. Lazarev, S. O. Leonov, V. E. Karasik, Yu. V. Korostelin, M. P. Frolov, Yu. P. Podmarkov, Ya. K. Skasyrsky, V. I. Kozlovsky, C. Svelto, P. Maddaloni, N. Coluccelli, P. Laporta, and G. Galzerano Thermo-optical and lasing characteristics of Cr2+-doped CdSe single crystal as tunable coherent source in the mid-infrared OPTICAL MATERIALS EXPRESS, Vol. 7, Issue 11, pp. 3815-3825 (год публикации - 2017)
10.1364/OME.7.003815

16. М. К. Тарабрин, А. А. Бушунов, В. А. Лазарев, В. Е. Карасик, В. И. Козловский, Д. И. Свиридов, Ю. В. Коростелин, М. П. Фролов, Я. К. Скасырский Fabrication of anti-reflection microstructures on znse single crystal by using femtosecond laser pulses Сборник научных трудов XXVIII Международной конференции "Лазеры в науке, технике, медицине", Том 28, стр. 62-65 (год публикации - 2017)

Публикации