Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0113

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0113
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет"
Название доклада
Разработка технологии получения крупногабаритных кристаллов парателлурита для акустооптических дисперсионных линий задержки в сверхмощных фемтосекундных лазерных системах
Докладчик
Колесников Александр Игоревич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью исследования являются разработка и реализация технологии выращивания монокристаллов парателлурита (диоксида теллура, α-TeO2) с различными оптическими параметрами, обеспечивающими возможность изготовления светозвукопроводов (СЗП) акустооптических дисперсионных линий задержки (АОДЛ), предназначенных для сжатия и корреляции сверхмощных импульсов фемтосекундных лазерных систем; изготовление на основе произведенных кристаллов и испытания АОДЛ с рекордными характеристиками в составе фемтосекундных лазерной системы.
Задачами исследования являются экспериментальное определение условий роста монокристаллов парателлурита из расплава способом Чохральского, при которых возможно получение образцов с размерами и концентрациями структурных и оптических дефектов, позволяющими изготовить СЗП с рекордными для АОДЛ характеристиками; разработка технологии присоединения пьезопреобразователей на основе кристаллов ниобата лития к СЗП из парателлурита с рекордными размерами; разработка методов синтеза согласующих цепей и алгоритмов расчета элементов в цепи управления АОДЛ фемтосекундных лазеров; изготовление и испытание АОДЛ на основе крупногабаритных монокристаллов парателлурита в составе сверхмощной фемтосекундной лазерной системы.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность исследования определяется современными тенденциями в области создания сверхмощных фемтосекундных лазерных систем, для которых требуются устройства, позволяющие улучшить качество лазерного импульса, для чего в последние годы впервые стали применятся АОДЛ.
Новизна характеризует следующие направления исследования. Впервые с помощью существенно модернизированного способа Чохральского выращены уникальные по размерам кристаллы парателлурита диаметром до 95 мм и высотой до 50 мм. При этом достигнуты рекордные на сегодня показатели структурного и оптического качества кристаллов - чрезвычайно малая плотность дислокаций, малые вариации показателей преломления, высокие коэффициенты пропускания света и малые показатели поглощения света для испытуемой длины волны излучения фемтосекундного лазера на титан-сапфире, сверхмалая концентрация примесей, высокий оптический поляризационный контраст и аномальная двуосность, не превышающая 18 угловых минут. Впервые изготовлены АОДЛ с рекордными характеристиками - спектральной полосой обработки 200 нм, дифракционной эффективностью не менее 80%, спектральным разрешением в одночастотном режиме 0,2 нм, максимальной оптической задержкой 24 пс и максимальным оптическим джиттером 20 мкс.
Описание исследования

При проведении исследования использованы следующие методы измерения параметров и характеристик монокристаллов парателлурита: методы рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализа, метод лазерной коноскопии, интерференционная профилометрия, атомно-силовая микроскопия, растровая электронная микроскопия, оптическая Фурье-спектроскопия.

При исследованиях, связанных с оптимизацией условий роста кристаллов парателлурита из расплава способом Чохральского, помимо традиционных методов термометрии (использование термопар и пирометров), впервые  использован новый метод, основанный на компьютерной обработке цифровых цветных видеоизображений поверхности расплава.

Впервые исследована гидродинамика расплава диоксида теллура в тиглях диаметром 150 мм при выращивании кристаллов диаметром до 95 мм. Рассчитаны гидродинамические критерии подобия (Грасгофа, Рейнольдса, Прандтля, Бонда, Фруда, Марангони) и их диапазоны, при которых фронт кристаллизации имеет минимальную кривизну и приближается к плоскости, соответствующей выходу особой сингулярной грани. Достигнуты рекордно минимальные концентрации таких структурных дефектов в парателлурите, как дислокации, двойники, малоугловые границы.

Разработана уникальная технология химико-механической полировки граней СЗП из кристаллов, обеспечивающая снижение шероховатости поверхностей с 40-50 нм до 20-30 нм, что позволило снизить порог лазерного разрушения  монокристаллов на 20%.

Разработана теория расчета всех основных параметров взаимодействия падающего на СЗП пучка лазерного излучения - индикатрис пропускания и диффузного отражения, показателей поглощения, коэффициентов пропускания, тепловых потерь. На основе теории разработана и успешно протестирована компьютерная программа, с помощью которой оптимизирована технология выращивания кристаллов парателлурита.

Разработана новая теория коноскопических картин одноосных кристаллов. Получены уравнения, позволяющие по искажениям теоретической формы изохром в экспериментальных картинах определить с рекордной чувствительностью вариации показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей.  

Результаты исследования

Разработаны и обоснованы экспериментальные и методические подходы для определения параметров структурного и оптического качества кристаллов парателлурита. 

Разработана и обоснована концепция изготовления опытной акустооптической дисперсионной линии задержки на основе парателлурита.

Разработаны модель и методы расчета траектории фотонов из пучка фотонов с гауссовым распределением интенсивности по сечению пучка, падающего на кристалл с известными параметрами шероховатости обеих полированных поверхностей и известными показателями преломления, а также известными концентрациями основных структурных дефектов (примесей, дислокаций).

Разработаны модель и методы расчета влияния выделения тепла в СЗП из парателлурита на характеристики акустооптического взаимодействия при прохождении через АОДЛ сверхмощных фемтосекундных лазерных импульсов.

Разработаны математическая модель и методы расчета вариаций показателей преломления и связанных с ними остаточных механических напряжений с помощью компьютерного анализа цифровых изображений коноскопических картин кристаллов парателлурита с искажениями теоретической формы изохром.

Разработан феноменологического метод синтеза согласующих цепей на основе формализма диаграммы Смита и математического алгоритма расчета согласующих LC-элементов в цепи управления АОДЛ в фемтосекундной лазерной системе.

Разработана технология присоединения пьезопреобразователя из ниобата лития к светозвукопроводу АОДЛ методом интердиффузии  атомов в химически активных слоях индия-золота.

Разработаны программы и методики исследований оптических и структурных характеристик экспериментальных образцов крупногабаритных кристаллов парателлурита методами рентгеноструктурного анализа, микрорентгеновского анализа, растровой электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, интерференционной профилометрии, коноскопии, Фурье-спектроскопии.

Разработана схемотехника системы управления акустооптической дисперсионной линии задержки.

Выращены крупногабаритные кристаллы парателлурита со специальными легирующими добавками, обеспечившими снижение оптических потерь в материале.

Изготовлена и испытана АОДЛ с СЗП на основе монокристалла парателлурита с заданными характеристиками.

Практическая значимость исследования
Практическая значимость исследования распространяется на следующие области технологий кристаллических оптических материалов, оптоэлектроники, фотоники и лазерной техники: акустооптика, в рамках которой выращиваемые согласно разработанной технологии кристаллы парателлурита найдут применение в АОДЛ (термоядерный синтез, ядерная энергетика, исследования вещества в экстремальных условиях сверхсильных электромагнитных полей, лазерная сварка, резка, лазерная медицина, лазерная космическая связь), в однокоординатных и двухкоординатных дефлекторах (лазерная реклама, лазерные щоу, системы наведения УРО на цели по лазерному лучу, разметка микросхем), в электронно-перестраиваемых фильтрах (спектроанализаторы газового состава атмосферы экологического назначения, спектрометры наземного и космического базирования для исследования линий поглощения в спектрах планет и эмиссионных линий в спектрах Солнца, звезд и активных ядер галактик - пульсаров и квазаров, спектрометров - спиртомеров и белизномеров для пищевой и ликеро-водочной промышленности, спектрометров для военного и гражданского мониторинга из космоса подстилающей поверхности), в модуляторах - лазерных затворах (импульсный вывод излучения из резонаторов оптоволоконных лазеров на основе редкоземельных ионов, предназначенных для лазерной сварки и резки конструкционных материалов), в процессорах (обнаружение, пеленгация, распознавание и декодировка слабых радиосигналов на фоне помех).
Внедрение разработанной ростовой технологии позволит полностью осуществить в РФ импортозамещение в области кристаллов парателлурита и элементов из них.