Создание и исследование субмикроструктурированных керамик из полуторного оксида тербия для изоляторов Фарадея мощных лазерных систем

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 22-23-00658

НазваниеСоздание и исследование субмикроструктурированных керамик из полуторного оксида тербия для изоляторов Фарадея мощных лазерных систем

Руководитель Максимов Роман Николаевич,

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые слова нанопорошок, керамика, оксид тербия, кубическая структура, спекание, горячее изостатическое прессование, микроструктура, лазерная абляция, поглощение, постоянная Верде

Код ГРНТИ47.09.47

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящён исследованию механизмов синтеза магнитооптической керамики из полуторного оксида тербия Tb2O3 для изоляторов Фарадея мощных твердотельных лазеров, генерирующих излучение в ближнем ИК-диапазоне. В настоящее время в качестве магнитоактивных сред используются, в основном, монокристаллы и керамики из тербий-галлиевого граната (Tb3Ga5O12, TGG). Главная проблема, возникающая при использовании таких элементов, связана с относительно невысокой постоянной Верде TGG, составляющей ~39 рад/(Тл•м) на длине волны 1.06 мкм. Это накладывает ограничение на пропускаемую мощность лазерного излучения ввиду необходимости использования активного элемента с большой длиной. Предполагается решить эту проблему путём синтеза керамического материала из полуторного оксида тербия Tb2O3, обладающего повышенной по отношению к TGG постоянной Верде (154 рад/(Тл•м)) и теплопроводностью, что позволит сократить длину магнитоактивного элемента и, как следствие, уменьшить его подверженность к нежелательным тепловым эффектам. Трудности при создании такой керамики заключаются в обеспечении строгого стехиометрического соотношения TbO1.5 и беспористой микроструктуры материала при температурах, не превышающих точку обратимого фазового перехода Tb2O3 из кубической в моноклинную структуру (1550 °С). При этом важным является отказ от применения каких-либо спекающих и/или стабилизирующих добавок (например, Y2O3 и ZrO2), поскольку они приводят к деградации магнитооптических и теплофизических свойств активной среды. Достижение требуемых структурных и магнитооптических характеристик в рамках данного проекта предполагается за счёт использования слабоагломерированных наноразмерных частиц оксида тербия, синтезированных методом лазерной абляции в контролируемой атмосфере, с их последующей консолидацией в поликристаллический образец при температурах, не превышающих 1550 °С, посредством вакуумного спекания компактов и постобработки методом горячего изостатического прессования. Высокая активность лазерно-синтезируемых нанопорошков к спеканию позволит обеспечить одновременно высокое оптическое качество и субмикрокристаллическую структуру керамик, свободную от пор и посторонних кристаллических фаз. Разработка новых функциональных материалов для лазерно-оптических и оптоэлектронных технологий является актуальной задачей в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники в РФ «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика» и критической технологии РФ «Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов», а также Стратегии развития электронной промышленности Российской Федерации на период до 2030 года. Таким образом, заявленная тема фундаментального научного исследования соответствует российским и мировым научно-технологическим приоритетам. Кроме того, актуальность исследования определяется потребностью промышленных и научных организаций в твердотельных лазерах с высокой средней и пиковой мощностями, которая может быть удовлетворена путём внедрения новых элементов изоляторов Фарадея при условии установления механизмов синтеза, позволяющих получать керамические магнитооптические среды с повышенной по отношению к TGG постоянной Верде. Научная новизна проекта заключается в использовании нанопорошков оксида тербия со средним размером частиц 10-20 нм, синтезированных методом лазерной абляции, которые позволят отказаться от спекающих и/или стабилизирующих добавок, а также обеспечить кубическую структуру и высокие оптические характеристики при температурах, ниже точки обратимого фазового перехода. Научная значимость решения проблемы состоит в обосновании возможности получения керамических магнитоактивных элементов, обеспечивающих при прочих равных условиях миниатюризацию изолятора Фарадея, снижение подверженности магнитоактивного элемента тепловым эффектам и, как следствие, повышение мощности твердотельных лазеров и каскадов усилителей, а также удешевление изолятора Фарадея за счёт использования магнитов с меньшей протяжённостью.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Максимов Р.Н., Платонов В.В., Шитов В.А., Юровских А.С. Phase transitions in terbium oxide nanopowders synthesized by laser ablation under various buffer gases "Физика. Технологии. Инновации" (ФТИ-2022). Тезисы докладов IX Международной молодежной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения профессора С. П. Распопина, С. 250-251 (год публикации - 2022)

2. Максимов Р.Н., Осипов В.В., Карагедов Г.Р., Платонов В.В., Орлов А.Н, Спирина А.В., Юровских А.С., Шитов В.А. Magneto-optical and structural properties of ultrafine-grained Tb2O3 transparent ceramics Abstracts of the 29th International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT-2022), Abstracts of the 29th International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT-2022), September 16-20, 2022, Moscow, P. 154 (год публикации - 2022)
10.24412/cl-35039-2022-22-154-154

3. Максимов Р.Н., Осипов В.В., Карагедов Г.Р., Платонов В.В., Юровских А.С., Орлов А.Н., Спирина А.В., Шитов В.А. Laser Ablation Synthesis and Characterization of Tb2O3 Nanoparticles for Magneto-Optical Ceramics Inorganics, Vol. 10, No. 10 (2022),173 (год публикации - 2022)
10.3390/inorganics10100173

4. Максимов Р.Н., Платонов В.В., Осипов В.В., Карагедов Г.Р., Юровских А.С., Спирина А.В., Шитов В.А. Properties of terbium oxide nanoparticles synthesized via laser ablation in a reducing medium Inorganic Materials, V. 59, No. 2, P. 171-178 (год публикации - 2023)
10.1134/S0020168523020115

5. Осипов В.В., Орлов А.Н., Лисенков В.В., Максимов Р.Н.,Шитов В.А. Distribution of the magnetic field in the gap between two permanent magnets: calculated and experimental data and their applications Instruments and Experimental Techniques, V. 66, No. 6, P. 995-1002 (год публикации - 2023)
10.1134/S0020441223060064

6. Максимов Р.Н., Осипов В.В., Шитов В.А., Платонов В.В., Карагедов Г.Р., Юровских А.С., Малявин Ф.Ф. Синтез прозрачной Tb2O3 керамики методом горячего изостатического прессования Сборник трудов Международной конференции “Физика и технология перспективных материалов”, С. 215-216 (год публикации - 2023)

7. Максимов Р.Н., Платонов В.В., Юровских А.С., Шитов В.А., Осипов В.В. Synthesis of Tb2O3 nanoparticles by laser ablation in Ar gas flow Letters on Materials, Vol. 12, No. 3 (2022). P. 231-236 (год публикации - 2022)
10.22226/2410-3535-2022-3-231-236

Публикации