14.574.21.0113

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 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.

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.  

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 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.