Разработка и исследование материалов и компонентов с улучшенными свойствами для создания перспективных твердотельных лазерных источников среднего ИК диапазона

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 22-12-20035

НазваниеРазработка и исследование материалов и компонентов с улучшенными свойствами для создания перспективных твердотельных лазерных источников среднего ИК диапазона

Руководитель Антипов 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

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 слова Твердотельные 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.1088/1555-6611/ac7ec7

2. 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)
10.3390/ceramics5030035

3. 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)

4. 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)
10.3390/cryst12050652

Публикации

1. 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)
10.3390/photonics10030252

2. 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)
10.1088/1742-6596/2494/1/012009

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)
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)
10.3390/photonics10121364

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Лазерное излучение среднего инфракрасного (ИК) диапазона имеет множество применений в современных промышленных технологиях, дистанционном зондировании атмосферы, экологическом мониторинге, 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 лазерно-индуцированного (ЛИП) пробоя, коэффициенты лазерного или нелинейно-оптического усиления) для перспективных твердотельных лазерных систем среднего ИК диапазона (на длинах волн 3-5 мкм), включая твердотельные и волоконные лазеры, а также параметрические генераторы света (ПГС). В 2024 году выполнялись исследования в соответствии с планом работ проекта. Выполнены все запланированные исследования. В качестве конкретных научных результатов можно отметить следующие. - Определён оптимальный профиль температурного распределения в печи при выращивании монокристаллов дифосфида цинка-германия ZnGeP2 (ZGP) методом Бриджмена на ориентированную затравку для достижения эффективного оттеснению примесных включений и получения кристаллов высокого оптического качества. - Проанализировано влияние собственных примесей на образование объёмных неоднородностей в монокристаллах ZGP. Установлено, что легирование монокристаллов ZGP примесными атомами Sn и Pb приводит к уменьшению поглощения в ИК и ТГц области спектра. Легирование атомами Pb приводит к уменьшению поглощения во всей ИК области длин волн, легирование же Sn приводит к заметному уменьшению поглощения лишь в области длин волн вблизи 2,1 мкм. Установлено, что легирование монокристалла ZGP примесями Sn и Pb приводит к уменьшению удельной проводимости, что обеспечивает уменьшение поглощения в ТГц области спектра, поскольку оно определяется в основном свободными носителях заряда. Следует отметить, что легирование монокристаллов ZGP примесными атомами Sn и Pb позволило уменьшить поглощение в ИК области спектра (особенно, вблизи длины волны 2,1 мкм) до уровня, сопоставимого с поглощением в кристаллах, подвергшихся облучению потоком быстрых электронов. Поэтому, такое легирование представляется перспективным для создания технологии производства кристаллов ZGP большой апертуры с малым поглощением без их облучения потоком быстрых электронов. - Обнаружено двухкратное увеличение порога ЛИП поверхности кристаллов ZGP после нанесения просветляющего покрытия на основе материалов ZnS и Al2O3 по сравнению с непросветленным образцом. Такой эффект можно объяснить отсутствием локальных колебаний состава и механических напряжений в слоях просветляющего покрытия, что приводит к хорошей адгезии многослойного покрытия с полированной поверхностью кристалла. В результате, за счет “закрытия” оборванных химических связей и объемных дефектов, вышедших на полируемую поверхность, увеличивается порог оптического пробоя по сравнению с образцом без покрытия. При исследовании энергетических характеристик ПГС и одновременной визуализации объема нелинейного элемента ZGP с помощью цифровой голографии удалось установить, что при увеличении плотности энергии накачки выше 1 Дж/см2 наблюдается прекращение роста КПД параметрической генерации и потемнение канала распространения излучения. При импульсно-периодическом воздействии излучения на длине волны 2100 нм с плотностью энергии выше 1 Дж/см2 в элементах ZGP вне резонатора наблюдается нелинейное поглощение. - Разработан, создан и исследован мощный узкополосный излучатель среднего ИК диапазона, включающий однорезонаторный ПГС и параметрический усилитель (ПУС) на кристаллах ZGP с накачкой излучением Ho:YAG лазера. Длина волны излучения перестраивалась в диапазоне 3,5…5,2 мкм при энергии в широкополосных импульсах до 4,5 мДж с частотой повторения 10 Гц. С помощью внутрирезонаторной селекции в ПГС реализована узкополосная генерация с шириной линии сигнальной волны 3-8 нм. Перестройка длины волны узкополосной генерации в диапазонах 3860-4130 нм и 4210-4565 нм (для сигнальной и холостой волн, соответственно) осуществлялась только за счёт изменения температуры нелинейного кристалла и внутрирезонаторного селектора. При использовании ПУС энергия импульсов узкополосного излучения увеличивалась до 1,6…1,7 мДж. Впервые получены температурные зависимости коэффициентов диффузии Fe в селениде и сульфида цинка (ZnSe и ZnS) в интервале температуры 1100 – 1300оС и давления 100 - 190 МПа и рассчитаны значения энергии активации диффузии. Определены оптимальные условия легирования ZnSe и ZnS ионами Cr2+ и Fe2+ (по температуре, давлению и длительности) в процессе баротермической обработки. В результате, получены образцы Cr2+(Fe2+):ZnSe(S) высокого оптического качества со следующими характеристиками: усредненной концентрацией легирующих примесей от 5×1017 см-3 до 5×1019 см-3; предельно высоким пропусканием в ИК диапазоне; контролируемым профилем распределения Cr2+(Fe2+); минимальным содержанием дефектов, поглощающих или рассеивающих излучение. В активных элементах из Cr:Fe:ZnSe при накачке излучением Tm:YAP лазером в на длине волны 1975 нм получена люминесценция в диапазонах длин волн 2-3 мкм и 3,5-5,5 мкм, а на образцах Cr2+:ZnS - лазерная генерация с на длине волны 2,45 мкм. - В результате оптимизации методов изготовления халькогенидных стёкол (ХГС) систем As-S, Ge-As-S-Se, Ge-Sb-As-S и Ge-Sb-S-Se получены новые образцы, пригодные для изготовления световодов в среднем ИК диапазоне. Тигельным методом вытягивались двухслойные световоды с заданным внешним диаметром и соотношением диаметров сердцевины и оболочки, а также высоким качеством боковой поверхности. Показано высокое пропускание ХГС световодов для непрерывного и импульсно-периодического излучения на длинах волн 1908 нм и 3,9-4,5 мкм. Создан опытный образец излучателя среднего ИК диапазона с узкой линией генерации (< 5 нм), температурной перестройкой в широком интервале 3,8 - 4,13 мкм и 4,2 - 4,6 мкм (для сигнальной и холостой волн) и высокой энергий импульсов (до 1,7 мДж). 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), 3 доклада в сборниках статей крупных международных конференций. 2 публикации в журналах, имеющих квартиль Q1 (входят в “белый список 1”). Все журнальные статьи опубликованы бесплатно. Представлен 1 пленарный, 2 устных и 1 стендовый доклад на крупных международных конференциях. Опубликована статья в научно-популярном журнале (https://ipfran.ru/institute/news/2024/0701-lazer-sistem).

Публикации

1. Антипов О.Л., Еранов И.Д., Гетмановский Ю.А., Балабанов С.С High-Efficiency 2.3-2.5 μm Electronically Tuned Narrow-Line Laser System for Remote Sensing in Earth's Atmosphere Window Proceeding IEEE of 2024 X International Conference on Information Technology and Nanotechnology (ITNT), 2024, vol. 2024/5/20, № 5, P. 20 (год публикации - 2024)
10.1109/ITNT60778.2024.10582324

2. Антипов О.Л., Еранов И.Д., Добрынин А.А., Гетмановский Ю.А., Шарков В.В. Narrow-Linewidth Widely Tunable High-Pulse-Energy Mid-IR ZGP-based Parametric Source IEEE Proceeding of 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), 2024, vol. 2024/7/1, № 7, P. 38 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624227

3. Антипов О.Л., Добрынин А.А., Гетмановский Ю.А., Караксина Э.В., Ширяев В.С., Суханов М. А., Котерева Т.В. Thermal Lensing and Laser-Induced Damage in Special Pure Chalcogenide Glasses under CW and Pulsed Mid-IR Irradiations IEEE Proceeding of 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), 2024, vol. 2024/7/1, № 7, P. 12 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10623999

4. Караксина Е.В., Благин Р.Д., Суханов М.В., Снетков И.Л., Нежданов А.В., Степанов Б.С., Курганова А.Е., Ширяев В.С. Preparation and properties of especially pure Ge-Sb-As-S glasses for IR optics Journal of Non-Crystalline Solids, ELSEVIER, 642 (2024) 123158 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jnoncrysol.2024.123158

5. Кузнецов В.С. , Зиновьев М.М. , Юдин Н.Н. , Подзывалов С.Н., Слюнько Е.С. , Лысенко А.Б. , Кальсин А.Ю. , Баалбаки Х. , Грибенюков А.И. , Габдрахманов А.Ш. , Кулеш М.М. ИОННАЯ ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ Ge ПОДЛОЖЕК ПЕРЕД ИОННО-ЛУЧЕВЫМ НАПЫЛЕНИЕМ ТОНКИХ ПЛЁНОК ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. ФИЗИКА, т. 68, № 1 (год публикации - 2025)

6. Антипов О.Л., Еранов И.Д., Балабанов С.С., Добрынин А.А., Гетмановский Ю.А., Шарков В.В., Юдин Н.Н. High-Repetition-Rate 2.3–2.7 µm Acousto-Optically Tuned Narrow-Line Laser System Comprising Two Master Oscillators and Power Amplifiers Based on Polycrystalline Cr2+:ZnSe with the 2.1 µm Ho3+:YAG Pulsed Pumping Photonics (Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI)), т. 11, 555 (год публикации - 2024)
10.3390/photonics11060555

7. Иконников В.Б., Котерева Т.В., Савин Д.В., Потапов А.М., Гаврищук Е.М. Diffusion of iron in zinc selenide during hot isostatic pressing Optical Materials, Elsevier, Volume 156, 116007 (год публикации - 2024)
10.1016/j.optmat.2024.116007

Возможность практического использования результатов
Нелинейно-оптические кристаллы ZGP и халькогенидные кристаллы ZnSe и ZnS, легированные ионами Cr и Fe, активно используются в последние годы для создания источников мощного когерентного излучения среднего инфракрасного (ИК) диапазона длин волн: параметрических генераторов света и лазеров. Волоконные системы на основе халькогенидных стекол используются для транспортировки и генерации ИК излучения. Источники когерентного излучения среднего ИК диапазона, в свою очередь, имеют множество применений в различных областях: хирургии и медицинской диагностике, экологическом мониторинге, контроле производственных процессов, инспекции продуктопроводов, прецизионном воздействии на различные материалы, научных исследованиях и решении специальных задач. Развитие технологий, связанных с применением мощных когерентных источников среднего ИК диапазона, способствует экономическому росту и социальному развитию Российской Федерации, улучшению качества жизни людей, укреплению обороноспособности страны.