Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии получения новых оптических материалов для приборов и устройств лазерной и/или радиационной техники

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
одновалентный висмут, субвалентные соединения висмута, тройные галогениды, изоморфное замещение, ик фотолюминесценция, люминесценция примесных центров, рост монокристаллов, метод бриджмена-стокбаргера, перестраиваемые лазеры, твердотельные лазеры.

Цель проекта:
1. Создание новых оптических материалов для построения лазеров и усилителей, перестраиваемых в широкой области ближнего ИК излучения 2.1 Повышение коэффициента спектрального пропускания не менее чем на 5 % и снижение коэффициента поглощения лазерного излучения не менее чем в 10 раз при создании оптических материалов ИК диапазона для лазерной техники и/или радиационной техники. 2.2 Разработка технологии получения оптически-активных материалов на основе тройных галогенидов тяжелых металлов, легированных изоморфной примесью одновалентного висмута для применения в области лазерной техники.

Основные планируемые результаты проекта:
1.1 Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей исследования образования низковалентных соединений висмута и их оптических свойств, в том числе, обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты – всего 98 научно-информационных источников, из них 20 - за период 2009 – 2014 гг.
1.2 Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96.
1.3 Выполнено обоснование выбора направления исследований и выработан план проведения исследований.
1.5 Проведены дополнительные патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96 и подана заявка ни изобретение "Оптическая среда на основе кристалла галогенида кадмия-цезия CsCdBr3, содержащего примесные ионы одновалентного висмута, способная к широкополосной фотолюминесценции в ближнем ИК диапазоне, и способ ее получения (варианты)"
1.4 Проведены теоретические исследования процессов получения материалов для инфракрасной техники и оптических материалов с низким поглощением лазерного излучения, в том числе:
- теоретические исследования процессов вхождения ионов одновалентного висмута в виде изоморфной примеси в состав кристаллов тройных галогенидов, в результате чего продемонстрировано, что оптически активный ион одновалентного висмута может изоморфно замещать ионы щелочных металлов K+, Rb+, Cs+, а также ион одновалентного таллия Tl+ в составе тройных галогенидов;
- теоретические исследования фазообразования при синтезе тройных галогенидов тяжелых металлов, в результате чего показано, что оптимальными матрицами с точки зрения получения в них максимальной концентрации допирующего иона Bi+ при сохранении высокого оптического качества являются тройные галогениды, образующиеся из щелочного и кислотного компонентов в соотношениях 1:2 или 1:3. В частности, сделан вывод о перспективности следующих кристаллических матриц тройных галогенидов для включения изоморфной примеси Bi+: RbY2Cl7, RbGd2Cl7, RbGd2Br7;
- исследования влияния условий роста монокристаллов на структуру и степень допирования полученных образцов, в результате чего изучено влияние изменения концентрации трехвалентного висмута в расплаве на концентрацию монокатиона висмута в образовавшейся кристаллической фазе.
1.5 Проведены экспериментальные исследования процессов получения материалов для инфракрасной техники и оптических материалов с низким поглощением лазерного излучения в том числе:
- экспериментальные исследования спектра люминесценции одновалентного висмута в диапазоне 850-1600 нм в составе тройных галогенида CsCdBr3, включая определение положения максимума спектра люминесценции и ширины спектра люминесценции;
- экспериментальные исследования спектров оптического поглощения одновалентного висмута в составе тройного галогенида CsCdBr3 в диапазоне 300-1000 нм, включая определение положения максимумов полос поглощения;
- экспериментальные исследования процессов металлургического синтеза солей галогенидов: BiI3, BiBr3, CdBr2, CdI2, CsBr;
- экспериментальные исследования процессов получения высокочистых тройных галогенидов CsCdBr3 и TlCdCl3;
- экспериментальные исследования параметров процессов выращивания структурно совершенных кристаллов тройных галогенидов для инфракрасной техники и лазерной оптики.

2.1 Будет разработан лабораторный технологический регламент получения оптических материалов на основе тройных галогенидов, содержащих изоморфную примесь иона одновалентного висмута.
2.2 Должны быть получены экспериментальные образцы оптических материалов для проведения исследовательских испытаний в количестве не менее 10 шт.
2.3 Будет разработана Программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов оптических материалов.
2.4 Будут проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов оптических материалов по разработанной Программе и методикам исследовательских испытаний.
2.5 В ходе исследовательских испытаний будет проверено соответствие разработанных технических решений требованиям ТЗ.
2.6 Будут проведены исследования по использованию разработанных оптических материалов в приборах и устройствах инфракрасной и лазерной техники.
3.12 Будут разработаны методические рекомендации по использованию разработанных оптических материалов в составе приборов и устройств инфракрасной и лазерной техники.
3.13 Будут разработаны технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.
3.14 Будет разработан проект технического задания на проведение ОТР по теме: «Разработка опытно-промышленной технологии получения новых оптических материалов для приборов и устройств лазерной техники на основе монокристаллов тройных галогенидов, содержащих изоморфную примесь одновалентного висмута».

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Разрабатываемые оптические материалы на основе кристаллов тройных галогенидов тяжелых металлов предназначены для их использования в составе приборов и устройств инфракрасной и лазерной техники. В ходе выполнения проекта должны быть получены данные о перспективности использования активных оптических сред, содержащих монокатионы висмута для создания нового поколения лазеров и усилителей ближнего ИК диапазона.
2. Разрабатываемые оптические среды, содержащие активные центры в виде примесных ионов одновалентного висмута не имеют предшествующих аналогов и являются безусловно новыми и оригинальными. Процесс получения оптической среды, включающий реакцию образования монокатионов висмута в расплаве при синпропорционировании соединений трехвалентного висмута и металлического Bi также является оригинальным.
3. Работы, посвященные изучению оптических свойств монокатиона висмута и созданию новых оптических сред на его основе практически отсутствуют в мировой и отечественной научной периодике. Многие работы, посвященные изучению оптических свойств низковалентных соединений висмута противоречивы и содержат ошибочные данные или выводы. Целостное и последовательное изучение кристаллических материалов, содержащих изоморфную примесь одновалентного висмута содержится только в работах, авторами которых являются участники настоящего проекта.
4. Для достижения заявленых результатов необходимо продемонстрировать оптический материал, обладающий минимальными потерями в диапазоне ближнего ИК, и, вместе с тем, содержащий значительные концентрации монокатиона висмута. Для этого необходим тщательный подбор потенциальной кристаллической матрицы для внедрения монокатона Bi+, а также определение оптимальных параметров роста монокристалла. Ограничения предлагаемых материалов касаются, в основном, их эксплуатационных качеств. В их числе - прочность, гигроскопичность, устойчивость к термоудару. В числе потенциальных рисков проекта можно перечислить следующие плохо прогнозируемые явления, способные ухудшить свойства оптически активных сред для лазеров и усилителей: наличие в материале поглощения из возбужденного состояния активатора, наличие оптических потерь за счет присутствия неизвестных оптических центров, образующихся параллельно с монокатионом висмута, невозможность получения оптически совершенного монокристалла заданного состава. Для минимизации этих рисков поиск оптически активных сред необходимо проводить на максимально разнообразном множестве кристаллических фаз.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Разработки, предлагаемые для реализации в настоящем проекте, предполагается использовать в оптическом приборостроении для изготовления новых твердотельных лазеров, перестраиваемых в широком диапазоне ближнего ИК-излучения и оптических усилителей используемых в оптических системах телекоммуникации. Твердотельные лазеры могут найти широкое применение в таких отраслях как медицина (лазерная хирургия, офтальмология, диагностика, фотодинамическая терапия злокачественных новообразований), метрология (создание эталонов частоты и времени), лазерное разделение изотопов, лазерная спектроскопия, аналитическая химия, технология лазерного зондирования атмосферы (лидары и др.), мониторинг окружающей среды, дистанционный контроль физико-химических параметров агрессивных и недоступных сред.
2. Перспективы использования связаны с удешевлением перечисленных выше технологий, что должно сделать их более доступными для конечного потребителя.
3. Усилители на основе монокристаллов тройных галогенидов, легированных катионами одновалентного висмута, могут составить конкуренцию эрбиевым оптическим усилителям (EDFA) которые доминируют на мировом телекоммуникационном рынке. В результате внедрения разработок по настоящему проекту можно также ожидать уменьшение отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду, повышение качества жизни населения, повышение производительности труда, снижение риска смертности.
4. В настоящее время имеется заинтересованность ряда зарубежных ученых результатами, достигнутыми в рамках выполнения настоящего соглашения. Среди них можно назвать И.Раздобреева из университета г. Лилль (Франция) и л. Су из Шанхайского института керамики (КНР). Не исключена возможность выполнения совместных проектов с этими и другими зарубежными учеными по тематике, представляющей собой продолжение направления, развиваемого в рамках настоящего соглашения. Популяризация работ по соглашению производилась на международной конференции: 2015 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC 2015), проходившей с 21.06.2015 по 25.06.2015 в г. Мюнхен (Германия). В будущем планируется участие еще в двух мероприятиях по популяризации науки.

Текущие результаты проекта:
В результате выполнения ПНИ был сделан аналитический обзор информационных источников, который подтвердил, что разработка оптических материалов, содержащих низковалентные соединения висмута, в частности – одновалентный висмут является интенсивно развивающимся перспективным направлением исследований. Было подтверждено, что предложенный в данном проекте способ введения примеси одновалентного висмута в состав кристаллов тройных галогенидов является обоснованным с научной точки зрения. Проведенное обоснование выбора направления исследований позволило выработать план проведения исследований, который оптимальным образом сочетает широту исследовательских работ с возможностью детально изучать оптические свойства наиболее интересных с практической точки зрения материалов. В ходе проведенного патентного исследования было показано, что разрабатываемые в настоящем проекте оптические среды, содержащие ионы одновалентного висмута не нарушают патентных прав третьих лиц и обладает патентной чистотой, так как не подпадает под действующие патенты, на дату публикации.
В результате теоретических исследований процесса вхождения ионов одновалентного висмута в виде изоморфной примеси в состав кристаллов тройных галогенидов определен круг наиболее перспективных материалов, подлежащих изучению в данном проекте.
В ходе экспериментальных исследований спектра люминесценции одновалентного висмута в составе тройных галогенидов в диапазоне 850-1600 нм были определены положения максимума спектра люминесценции и ширины спектра люминесценции и показано, что эти параметры соответствуют требованию Технического задания. Экспериментальные исследования спектров оптического поглощения одновалентного висмута в диапазоне 300-1000 нм показало наличие полос поглощения, обусловленных наличием одновалентного висмута в составе материала.
В полном соответствии с планом-графиком были выполнены экспериментальные работы по получению бинарных галогенидов металлов.
Полученные реактивы были затем использованы при приготовлении образцов высокочистых тройных галогенидов. Эти образцы были охарактеризованы рентгенофазовым анализом в результате чего подтверждено образование целевых кристаллических фаз. Присутствие в расплаве галогенидов висмута не сказалось на образовании целевых тройных галогенидов. Показано вхождение одновалентного висмута в решетку образовавшихся тройных галогенидов и исследовано влияние кислотности расплава на концентрацию примесных центров монокатиона висмута. Выявлено, что высокая Льюисова кислотность совершенно необходима для получения больших концентраций Bi+ в расплаве и кристаллической фазе, растущей из такого расплава.
На основе анализа полученных данных был произведен теоретический анализ фазообразования при синтезе тройных галогенидов тяжелых металлов. Этот анализ проводился с точки зрения оптимизации состава тройных галогенидов для получения максимальных концентраций в них примесного иона Bi+. Сформулированы требования к составу тройных галогенидов, произведен поиск продходящих кристаллических фаз, описанных в литературе. На основе анализа информации о свойствах найденных фаз определен круг наиболее перспективных материалов, на работе с которыми можно сосредоточить в дальнейшем усилия.
Проведен теоретический анализ спектральных свойств монокатиона висмута в качестве примесного центра в рассматриваемых кристаллических матрицах.
В результате дополнительного патентного поиска составлена и подана заявка на патент, защищающий состав и способ приготовления люминесцентного материала, представляющего собой тройной бромид CsCdBr3, содержащий изоморфную примесь монокатиона висмута.