Лазерный мир

Лазарев Владимир Алексеевич // карточка Конкурса 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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.

Ожидаемые результаты

В результате выполнения данного проекта предполагается: 1) существенно улучшить качество анизотропного кристалла Cr:CdSe, а именно уменьшить углы малой разориентации до 0.1 градуса и менее при концентрации ионов Cr в диапазоне (1…5)·10^18 см^(-3); 2) разработать наиболее эффективную технологию формирования просветляющего микрорельефа на оптических гранях активных кристаллов Cr:CdSe, Cr:ZnSe и Fe:ZnSe; 3) существенно улучшить эффективность лазеров Cr:CdSe при мощной накачке, когда объем возбуждения превышает объем отдельных слаборазориентированных блоков; 4) реализовать широкополосное просветление рабочих граней активных кристаллов до уровня менее 2 % по отражению и рассеянию в области перестройки лазера; 5) повысить лучевую прочность просветленных граней до уровня естественных граней кристалла; 6) повысить полную эффективность лазера Cr:CdSe и увеличить надежность его работы до уровня, близкого к теоретическому пределу: – получить предельную эффективность лазера (примерно 60 %) путем уменьшения потерь накачки и потерь резонатора, использовав просветление поверхностей активного элемента; – увеличить ширину перестройки лазера за счет использование широкополосного микрорельефного просветления (по сравнению с пленочным антиотражающем покрытием), достигнуть диапазон перестройки от 2.1 до 3.5 мкм; – увеличить мощность излучения вплоть до 5 Вт путем использования мирорельефного просветления с большей лучевой прочностью по сравнению с пленочным антиотражающим покрытием; 7) разработать дисковый лазер на кристалле Cr^(2+):ZnSe с просветляющим микрорельефом на рабочих гранях: – микрорельеф создается на поверхности кристалла, обратной накачиваемой, сильно рассеивающий излучение накачки внутри кристалла, так что не нужно использовать многопроходную систему накачки; – поверхность кристалла просветляется для генерируемого излучения; – дисковый вариант позволяет избавиться от тепловой линзы; – ожидается генерация с непрерывной мощностью 1 Вт на длине волны 2,4 мкм. Ожидаемые результаты являются новыми и соответствуют мировому уровню исследований. Отдельные опубликованные работы по лазерам Cr:CdSe выполнены при участии членов коллектива данного проекта. У нашей научной группы есть доступ к уникальным монокристаллам халькогенидов, каких нет нигде в мире. В опубликованных нашей группой работах высокая эффективность достигается лишь в маломощных лазерах, в которых область возбуждения меньше размера отдельных слабо разориентированных блоков. В лазерах Сr:ZnSe использовался ранее просветляющий микрорельеф (см. работы Мирова С. с сотрудниками). Однако использовалась сложная технология с использованием фотолитографии, которая не нашла широкого применения. Отметим также, что на поликристаллическом образце труднее создать однородный рельеф на большой площади. Что касается лазеров Fe:ZnSe, то микрорельеф до сих пор не использовался для просветления поверхностей активного кристалла. Значимость данного проекта подтверждается также интересом к проекту Миланского политехнического института, с которым заключено соглашение о совместной работе по совершенствованию данного типа лазеров. Ожидаемые результаты проекта позволят перейти к разработке различных приборов и устройств на основе лазеров Cr:CdSe, Cr:ZnSe и Fe:ZnSe. Эти приборы и устройства могут быть использованы в биомедицине, томографии, оптике атмосферы, спектроскопии, стандартах частоты и оптике аттосекундных импульсов. Реализация проекта направлена на развитие новой 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. Проект направлен на развитие научной карьеры молодых ученых, формирование исследовательской команды высокого уровня, на расширение горизонтов сотрудничества с Физическим институтом им. П. Н. Лебедева РАН, ИФТТ РАН и – на международном уровне – с группой проф. П. Лапорта Миланского политехнического института.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ