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 19-19-00613
НазваниеПрозрачные ситаллы с коэффициентом термического расширения, стабилизированным вблизи нулевого значения, и лазерное микромодифицирование их структуры
Руководитель Сигаев Владимир Николаевич, Доктор химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" , г Москва
Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-708 - Лазерно-информационные технологии
Ключевые слова прозрачный ситалл, прозрачная стеклокерамика, нулевой ТКЛР, литиевоалюмосиликатная система, катализатор кристаллизации, фемтосекундный лазер, лазерное модифицирование, фемтосекундная лазерная запись, лазерный гироскоп, микрооптический гироскоп, пассивный микрооптический кольцевой резонатор
Код ГРНТИ47.09.41
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Быстрое развитие оптики и фотоники требует постоянного совершенствования оптических материалов, предъявляя все более жесткие требования к эксплуатационным характеристикам с сохранением относительного дешевого и технологичного способа их производства. Выбор материалов в этой связи ограничен оптическими полимерами, кристаллами и стеклами, каждый из которых обладает рядом преимуществ и недостатков. В то же время, ни один из этих материалов не может противостоять температурному воздействию, которое оказывает неизбежное влияние на физико-механические и оптические свойства материала, что негативно отражается на эксплуатационных характеристиках оптических приборов – от возникновения погрешностей в работе до полного выхода из строя. Создание оптических ситаллов с близким к нулю термическим коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) дало возможность в какой-то момент обойти указанные имеющиеся проблемы оптического материаловедения и способствовало прорыву в астрофизике и навигационных технологиях.
Однако уникальные преимущества прозрачных материалов с близким к нулевому значению ТКЛР используются еще чрезвычайно узко, в основном, в технике оптических гироскопов и астрономических зеркал. И даже в этой области текущие характеристики промышленных оптических ситаллов далеко не всегда отвечают все время ужесточающимся требованиям к минимизации теплового расширения материала и стабильности значений ТКЛР изделий в широком температурном диапазоне. Недостаточно глубокое понимание природы теплового расширения как в многофазных материалах - ситаллах и композитах, так и в однофазных материалах с аномально низким ТКЛР (бинарных титаносиликатных стеклах, кварцевом стекле, сплавов инварной группы и др.) приводит к большому разбросу в значениях ТКЛР материалов и, как следствие, к низкому выходу годной продукции, что в полной мере относится и к ситаллам, используемых в производстве гироскопов. Это обусловливает необходимость выявления особенностей структуры материалов с низкими значениями ТКЛР и динамики ее изменений с температурой.
Наряду с проблемами применения термостабильных ситаллов в гироскопах, представляется актуальным создание лазерных сред с низким значением ТКЛР и новых светоизлучающих материалов для светодиодов повышенной мощности. В то же время тенденция к миниатюризации оптических приборов диктует необходимость создания интегральных микрооптических систем навигации с использованием термостабильных оптических сред. Поэтому в проекте ставится задача существенного расширения области применения прозрачных ситаллов с близким к нулевому значению ТКЛР.
Коллективом заявителей на базе кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д.И. Менделеева недавно был разработан и запатентован оптический ситалл в литиевоалюмосиликатной системе с приближающимся к нулевому значению ТКЛР в необычайно широком диапазоне температур (от -100 до ~+500°С), не имеющий мировых аналогов. В настоящем проекте предлагается использовать этот ситалл в качестве основы для создания новых светоизлучающих термостабильных оптических сред и волноводных структур.
В проекте будет изучена природа аномального поведения ТКЛР ситалла и определены основные факторы, обусловливающие стабилизацию ТКЛР в широком диапазоне температур, несмотря на различия в температурных зависимостях ТКЛР кристаллических фаз, составляющих ситалл, и аморфной матрицы. Это будет способствовать транслированию разработанных лабораторных методик синтеза ситалла в опытно-промышленное производство с перспективой дальнейшего применения в лазерных гироскопах нового поколения.
Большой опыт заявителя в локальном модифицировании структуры прозрачных диэлектриков (стекол и кристаллов) в микромасштабе лазерным излучением будет использован в проекте для исследования почти не изучавшихся ранее процессов взаимодействия лазерного пучка как с прозрачными стеклокристаллическими материалами, так и с исходными (ситаллообразующими) стеклами. Этот опыт будет способствовать также созданию методик, позволяющих в среде с близким к нулю ТКЛР создавать микроканальные структуры сложной архитектуры (полые, аморфные с измененным показателем преломления, кристаллические), принципиальное преимущество которых будет заключаться в термостабильности их геометрии.
В проекте будут изучены возможности формирования фемтосекундным лазерным пучком в оптически прозрачной (не рассеивающей или слабо рассеивающей свет) среде с нулевым ТКЛР модифицированных микрообластей – как основы для оптической памяти, в том числе, позволяющих реализовать многоуровневое кодирование (записи более одного бита в одной модифицированной микрообласти) за счет управляемого варьирования параметров двулучепреломления нанорешеток (анизотропных микрообластей с нанопериодической структурой) или анизотропных микрополостей. Реализация таких возможностей откроет перспективы создания носителей архивной информации, обладающих принципиальными преимуществами по сравнению с кварцевым стеклом, которое до сих пор служило и служит основным объектом разработок сверхстабильной оптической памяти. Так как в стекле (и, как ожидается, в ситалле) в зоне воздействия фемтосекундного пучка существенно снижается химическая стойкость, в проекте будут предложены способы формирования полых микроканалов в прозрачном ситалле заданной геометрии с помощью вытравливания облученных микрообластей. Для разработки подходов к созданию пассивных микрооптических кольцевых резонаторов для интегральных оптических гироскопов в проекте впервые будут исследованы возможности фемтосекундной лазерной записи волноводных микроканальных структур в объеме ситаллов с нулевым ТКЛР.
В проекте впервые будут изучены процессы катализированной кристаллизации твердых растворов β-кварца с добавками ионов редкоземельных металлов (Ce, Eu, Er, Yb, Ho) для получения термостабильных светоизлучающих сред как в видимой, так и в ближней ИК области. На базе термостабильных ситаллов, активированных ионами редкоземельных элементов, будут исследованы возможности создания сверхчувствительных датчиков температуры на основе микросферических ситалловых резонаторов, работающих на принципе сдвига мод шепчущей галереи.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1. В. Н. Сигаев, А. С. Липатьев, C. C. Федотов, С. В. Лотарев, Г. Ю. Шахгильдян, А. С. Наумов, В. И. Савинков Фемтосекундное лазерное модифицирование литиево - алюмосиликатного стекла, содержащего сурьму, и полученного из него прозрачного ситалла Стекло и кермика, № 10, стр. 9-13 (год публикации - 2019)
2. В. И. Савинков, Г. Ю. Шахгильдян, А. С. Наумов, Н. Н. Клименко, В. Н. Сигаев Влияние оксида сурьмы на особенности кристаллизации литиево-алюмосиликатных стекол Стекло и керамика, 2019 г., № 10, с. 30-34 (год публикации - 2019)
3. А. С. Липатьев, С. В. Лотарев, C. C. Федотов, Е. С. Игнатьева, В. Н. Сигаев Особенности фемтосекундного лазерного модифицирования сурьмяно-силикатного стекла. Стекло и керамика, 2019 г., № 11, с.8-12 (год публикации - 2019)
4. Лотарев С.В., Сигаев В.Н. Микро- и наномодифицирование структуры оптических стекол фемтосекундными лазерными импульсами Международная научно-техническая конференция "Оптико-электронные комплексы наземного и космического базирования"., 10.2019 (год публикации - 2019)
5. С.В. Лотарев, А.С. Липатьев, С.С. Федотов, А.С. Наумов, В.Н. Сигаев. Performanсе improvement and laser-induced modification of transparent lithium aluminosilicate glass-ceramics Şişecam International Glass Conference combined with 34th Şişecam Glass Symposium “Glass in the sustainable future: Achieving what is possible”, с. 143 (год публикации - 2019)
6. Шахгильдян Г.Ю., Савинков В.И., Алексеев Р.О., Сигаев В.Н. Прозрачные ситаллы в магниевоалюмосиликатной системе с повышенной твердостью XXII международная научно-техническая конференция «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов», (год публикации - 2019)
7. Сигаев В.Н., Савинков В.И., Шахгильдян Г.Ю., Наумов А.С., Клименко Н.Н. Структура и свойства оптических литиевоалюмосиликатных ситаллов с близким к нулю коэффициентом термического расширения XXII международная научно-техническая конференция «Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов», (год публикации - 2019)
8. В.Н. Сигаев, В.И. Савинков, Г.Ю. Шахгильдян, А.С. Наумов, С.В. Лотарев, Н.Н.Клименко, Н.В. Голубев, М.Ю. Пресняков О возможности прецизионного управления температурным коэффициентом линейного расширения прозрачных литиевоалюмосиликатных ситллов вблизи нулевых значений Стекло и керамика, 2019, № 12, с. 11-16 (год публикации - 2019)
9. Сигаев В.Н., Савинков В.И., Шахгильдян Г.Ю., Лотарев С.В., Клименко Н.Н. Оптические ситаллы литиевоалюмосиликатной системы с ультрнизким значением температурного коэффициента линейного расширения VI Международная конференция «Химия и химическая технология», Сборник материалов VI Международнйо конференции «Химия и химическая технология», с.28-30 (год публикации - 2019)
Публикации
1. Савинков В.И., Наумов А.С., Лотарев С.В., Клименко Н.Н., Игнатьева Е.С., Сигаев В.Н. Прозрачный термостабильный литиевоалюмосиликатный ситалл, допированный оксидом неодима Стекло и керамика, 2020 г., № 11, с. 35-38 (год публикации - 2020)
2. Липатьева Т.О., Федотов С.С., Липатьев А.С., Лотарев С.В., Шахгильдян Г.Ю., Рябов К.В., Си-гаев В.Н. Прецизионная лазерная сварка кварцевого стекла с железоникелевым сплавом Стекло и керамика, 2020 г., № 11, с. 19-23 (год публикации - 2020)
3. Наумов А.С., Лотарев С.В., Савинков В.И., Липатьев А.С., Клименко Н.Н., Сигаев В.Н. Прозрачная термостабильная стеклокристаллическая матрица для применений в оптике и фотонике Материалы Междунар. науч.-техн. конф., Минск, 3 декабря 2020 г. "Инновационные силикатные и тугоплавкие неметаллические материалы и изделия: свойства, строение, способы получения", Труды Междунар. науч.-техн. конф., Минск, 3 декабря 2020 г. [Электронный ресурс] / гл. ред. И. В. Войтов ; Белорус. гос. технол. ун-т. – Минск : БГТУ, 2020. – 319 с., стр.87-91 (год публикации - 2020)
4. Липатьев А.С., Лотарев С.В., Федотов С.С., Наумов А.С.,Шахгильдян Г.Ю., Сигаев В.Н. Direct laser writing of depressed-cladding waveguides in ultra-low expansion glass-ceramics Труды "IV International Conference on Ultrafast Optical Science (UltrafastLight-2020)" (год публикации - 2020)
5. Шахгильдян А.Ю.,Савинков В.И.,Алексеев Р.О., Наумов А.С.,Шахгильдян Г.Ю., Сигаев В.Н. Влияние условий термообработки на свойства прозрачных ситаллов системы Mg0-Al203-Si02 Успехи в химии и химической технологии, Успехи в химии и химической технологии, Том ХХХ IV, 2020, № 5, стр.106-108 (год публикации - 2020)
6. Лопатина Е.В., Лотарев С.В.,Наумов А.С., Савинков В.И.,Сигаев В.Н. Шахгильдян Г.Ю. Прозрачные литиевоалюмосиликатные ситаллы с регулируемым термическим коэффициентом линейного расширения в области нулевых значений Научное издание "Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение". Программа и материалы 18-й Международной научной конференции-школы. Издательство Мордовского университета, г. Саранск, прогр. и материалы 18-й Междунар. науч. конф.-шк., Саранск, 15–18 сент. 2020 г. [Электронный ресурс] / редкол.: Н. С. Аверкиев [и др.]. – Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2020. – 228 с., стр.160 (год публикации - 2020)
7. Лотарев С.В., Наумов А.С., Савинков В.И., Сигаев В.Н. Прозрачный литиевоалюмосиликатный ситалл, активированный ионами неодима, с ТКЛР, стабилизированным вблизи нулевого значения Научное издание "Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение". Программа и материалы 18-й Международной научной конференции-школы. Издательство Мордовского университета, г. Саранск, прогр. и материалы 18-й Междунар. науч. конф.-шк., Саранск, 15–18 сент. 2020 г. [Электронный ресурс] / редкол.: Н. С. Аверкиев [и др.]. – Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2020. – 228 с., стр. 161 (год публикации - 2020)
8. A.S. Lipatiev, S.S. Fedotov, S.V. Lotarev, A.S. Naumov, T.O. Lipateva, V.I. Savinkov, G.Y. Shakhgildyan, V.N. Sigaev Direct laser writing of depressed-cladding waveguides in extremely-low expansion lithium aluminosilicate glass-ceramics Optics and Laser Technology (год публикации - 2021)
Публикации
1. Наумов А.С., Лотарев С.В., Савинков В.И., Липатьев А.С., Сигаев В.Н. Space-selective ultrafast-laser modification microstructure of extremely low expansion lithium aluminosilicate glass-ceramics The 22nd International Symposium on Laser Precision Microfabrication June 8-11, 2021, Web Conference, стр. 69 (год публикации - 2021)
2.
Вало-Мартин Д. , Паз-Буклатин Ф., Риос С., Мартин И.Р., Мартин Л. Д., Роденас Ф, Сигаев В.Н., Савинков В.И., Шахгильдян Г.Ю.
Temperature Sensing with Nd3+ Doped YAS Laser Microresonators
Applied Sciences, Appl. Sci. 2021, 11, 1117. https://doi.org/10.3390/app11031117 (год публикации - 2021)
10.3390/app11031117
3. Воротников Ю.В., Наумов А.С., Лотарев С.В., Клименко Н.Н., Савинков В.И., Сигаев В.Н. ВЛИЯНИЕ ОКСИДА НЕОДИМА НА КРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЛИТИЕВОАЛЮМОСИЛИКАТНОГО СТЕКЛА Успехи в химии и химической технологии, ТОМ XXXV. 2021. № 4, стр.18-20 (год публикации - 2021)
4. Сигаев В.Н., Липатьев А.С., Федотов С.С., Лотарев С.В., Наумов А.С., Шевякина Д.М. ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ЗАВИСИМОЕ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ В ЛИТИЕВОАЛЮМОСИЛИКАТНЫХ СТЕКЛАХ Стекло и керамика, 2022, № 4 (год публикации - 2022)
5. Сигаев В. Н., Наумов А.С., Савинков В.И., Липатьев А.С., Лотарев С.В., Клименко Н.Н., Лопатина Е.В. ОСОБЕННОСТИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МИКРОШАРИКОВ ЛИТИЕВО-АЛЮМОСИЛИКАТНОГО СТЕКЛА, ПОЛУЧЕННЫХ В ПОТОКЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ Стекло и керамика, 2022, № 4 (год публикации - 2022)
6. Наумов А.С., Лотарев С.В., Савинков В.И., Липатьев А.С., Сигаев В.Н. ЛАЗЕРНАЯ ЗАПИСЬ ВОЛНОВОДОВ В ПРОЗРАЧНОМ УЛЬТРАТЕРМОСТОЙКОМ ЛИТИЕВОАЛЮМОСИЛИКАТНОМ СИТАЛЛЕ Сборник трудов Международной научно-технической конференции “Актуальные проблемы инновационных технологий химической, нефте-газовой и пищевой промышленности”.Ташкент, 2021, стр. 214-215 (год публикации - 2021)