Российский
химико-технологический
университет имени Д.И. Менделеева
D.Mendeleev University of Chemical Technology of Russia
125047 Москва, Миусская пл., 9  |  (499) 978-86-60
Версия ЧБ
Проводятся технические работы на сайте. Приносим извинения за доставленные неудобства
Основные разработки Международного центра лазерных технологий

Лазерное модифицирование оптических материалов

Диск из кварцевого стекла
с записанной информацией

Нашей командой разрабатывается принципиально новый метод записи информации, который обеспечит ее сохранность на миллионы и даже миллиарды лет.

Принцип метода основан на формировании в оксидных стеках под действием фемтосекундного лазерного излучения высокостабильных структур – нанорешеток, обладающих эффектом двулучепреломления света. Каждая нанорешетка является питом информации – точкой, несущей данные. Такие точки модифицируют падающее на них излучение считывателя в нескольких измерениях, что позволяет кодировать несколько бит данных в одной точке (5D-формат). Запись таких точек в несколько слоев в объеме стекла позволяет достигать плотности записи информации в десятки гигабайт.

Применение разрабатываемой сверхстабильной оптической памяти лежит прежде всего в области хранения особо важной информации: государственные архивы, страховые и библиотечные фонды, финансовая, правовая документация, личные архивы, расшифровка генома или иная медицинская информация, конструкторская и научная документация, научные данные.

На начало 2016 года на базе Международного Центра Лазерных Технологий реализована первая версия системы по записи и считыванию информации в 5D формате. Нами успешно проведено считывание данных с носителя (диска из кварцевого стекла), после его испытания на термоудар в 900ºС. В настоящее время проводятся работы по увеличению скорости записи и считывания информации.

Загрузка плеера

Первый кристаллический лазер
на основе волновода, записанного
пучком фемтосекундного лазера
(кристалл ИАГ:Nd, вид с торца)

Методы прямой лазерной записи микроструктур пучком фемтосекундного лазера в объёме оптических кристаллов и стёкол, которые развиваются в нашем Центре, позволяют создавать компактные элементы интегральной оптики в 3D формате и волноводные лазеры с коротким резонатором.

Примером такого устройства на основе канального волновода, сформированного в объёме кристалла ИАГ:Nd, стал миниатюрный волноводный лазер, разработанный в нашем Центре. Нами впервые, в широко применяемом в лазерной технике кристалле, удалось реализовать синхронизацию мод в непрерывном режиме с частотой повторения более 10 ГГц. Этот лазер генерирует импульсы длительностью в 16 пс на длине волны 1064 нм.

Подобные устройства, построенные на основе канальных волноводов, обладают как преимуществами твердотельных лазеров (высокая теплопроводность, большие концентрации активаторов и коэффициенты усиления), так и волоконных (модовая стабильность, надёжность, устойчивость к внешним воздействиям). Совокупность этих преимуществ вкупе с технологией их изготовления, быстро приспособляемой к требуемой архитектуре, делают такие устройства перспективными объектами для генерации СВЧ волн произвольной формы (радиофотоника), метрологии частоты лазерного излучения, оптической выборки сигнала (сверхскоростное АЦП), калибровки астрономических спектрографов (поиск планет, пригодных для жизни, измерения скорости движения на эффекте Доплера) и двухфотонной флуоресцентной микроскопии.


Фрагмент монокристаллического
волновода, сформированного в объеме
лантаноборогерманатного стекла

Особый интерес для применений в оптоэлектронике и нанофотонике представляет возможность локального выделения заданных люминесцирующих и нелинейно-оптических кристаллических фаз в объеме диэлектрических материалов, в частности стекол.

Одной из наиболее выгодных для таких исследований стеклообразующих систем является система La2O3-B2O3-GeO2, в которой возможно выделение сегнетоэлектрической фазы LaBGeO5 структурного типа стилвеллита, обладающей заметной квадратичной оптической нелинейностью, и позволяющей частично замещать ионы лантана на ряд редкоземельных ионов-активаторов люминесценции (например, Nd, Pr) без изменения типа кристаллической структуры. Важной особенностью лантаноборогерманатного стекла состава LaBGeO5 является возможность конгруэнтной кристаллизации с формированием кристаллической фазы как с поверхности, так и в объеме стекла, что позволяет получать прозрачные поверхностные кристаллические слои, объемные наноструктуры и кристаллические волноводы сложной формы в объеме стекла.

В 2015 году сотрудникам нашего Центра удалось продемонстрировать возможность получения квазимонокристаллических каналов, выращенных фемтосекундным лазерным пучком в объеме лантаноборогерманатного стекла. Оптимизация условий лазерной обработки позволила повысить степень однородности этих каналов до уровня, при котором канал может функционировать как многомодовый волновод с рекордно низкими для таких структур оптическими потерями при распространении по нему света (не более 1,7 дБ/см на длине волны 1030 нм). Это одна из первых демонстраций волноводного эффекта в кристаллических структурах, выращенных в стекле лазерным пучком, превосходящая аналоги по степени подавления оптических потерь.

Полученные структуры представляют большой интерес для разработки интегральных электрооптических модуляторов и канальных волноводных лазеров – элементов перспективных интегральных оптических схем, выполненных в едином объеме стекла.

Загрузка плеера

Функциональные материалы для оптики и фотоники


Лазерные Nd-фосфатные и Er/Yb-борогерманатные стекла

Лазерные элементы из фосфатного стекла,
активированного ионами неодима

Лазерные стекла, активированные ионами неодима и эрбия/иттербия предназначены для использования в качестве активных элементов лазеров, работающих в условиях высокой и средней мощности излучения. Несмотря на повсеместное мировое распространение и развитие лазерной техники, производство лазерных стекол в России остается на уровне тридцатилетней давности.

Нашей командой были разработаны два типа стекол для активных лазерных элементов – фосфатные стекла, активированные неодимом, и борогерманатные стекла, активированные эрбием и иттербием.

Разработанное и запатентованное нами лазерное фосфатное стекло с неодимом (ЛСН-0130) превосходит по своим характеристикам все известные на мировом рынке лазерные стекла, генерирующие излучение на длине волны 1064 нм. Стекло ЛСН-0130 характеризуется минимальным концентрационным тушением люминесценции (максимально высоким квантовым выходом люминесценции) при заданной концентрации ионов активатора, пониженным значением нелинейного показателя преломления n2, улучшенными термооптическими характеристиками, высокой лучевой прочностью и низкой склонностью к кристаллизации, позволяющей получать крупногабаритные заготовки традиционными методами. Совокупность спектрально-люминесцентных (лазерных) параметров стекла: высокое значение времени затухания люминесценции τ, сечения вынужденных лазерных переходов, большой квантовый выход люминесценции при узкой ширине полосы люминесценции свидетельствуют о том, что разработанное стекло является перспективным материалом для использования в качестве оптических квантовых генераторов лазерных устройств с высокой и средней мощностью излучения. Эти преимущества стекла дополняются его термооптическими характеристиками: минимальными из достигнутых до настоящего времени значениями нелинейного показателя преломления n2 и низкими значениями температурного коэффициента изменения показателя преломления dn/dt (-6·10-6 1/ °C в интервале 20-40°C). Достигнутые значения n2 и dn/dt позволяют минимизировать искажения световой волны при нагревании активного элемента в условиях высоких значений мощности излучения.

Основная полоса генерации лазеров на стеклах, содержащих эрбий и иттербий, лежит в спектральной области при λ ~ 1,54 мкм. Такое излучение безопасно для глаз, приходится на «окно» прозрачности атмосферы и на область минимальных оптических потерь кварцевых волоконных световодов, что обуславливает широкое использование лазеров и усилителей на эрбиевых стеклах в волоконно-оптических линиях связи и лазерах для медицины. Особо важна возможность применения таких стекол в лазерных дальномерах, приборах с безопасным для зрения лазерным излучением, предназначенных для определения координат различных объектов.

Борогерманатные стекла, активированные эрбием и иттербием, разработанные и запатентованные нашей командой, позволяют вводить повышенные концентрации эрбия, что в свою очередь многократно усиливает генерацию лазерного излучения без эффекта концентрационного тушения, присущего схожим стеклам. В связи с этим, применение разработанных стекол для активных элементов лазерных систем дальнометрии позволит увеличить скорость и точность измерения дальности при расширении диапазонов и уменьшить среднюю квадратичную погрешность измерения дальности.

Магнитооптические стекла с повышенной константой Верде

Призма из
магнитооптического стекла

Важнейшими частями современных лазерных систем являются оптические материалы с высокой магнитооптической активностью, которые используются в качестве оптических модуляторов, изоляторов и фазовращателей, основанных на эффекте Фарадея, т.е. вращении плоскости поляризации света в магнитном поле.

В ходе исследований в этой области нашей командой было разработано и запатентовано магнитооптическое стекло (TBG), превосходящее по своим характеристикам имеющиеся на мировом рынке аналоги. В стекле TBG было достигнуто рекордное значение константы Верде (магнитооптической постоянной) – более 0,4 угл.мин/см•Э на длине волны 638 нм, при значении коэффициента поглощения 0,001 см-1, что обеспечивает высокую магнитооптическую добротность Q1064 = 108 угл. мин/Э (у промышленных стекол, доступных на рынке, аналогичного назначения Q1064 менее 60 угл.мин/Э). Полученные результаты говорят о перспективности применения разработанных стекол в качестве магнитооптических элементов лазерных систем.


Оптические ситаллы с нулевым коэффициентом расширения

Ситалл с нулевым коэффициентом
термического расширения

Оптические материалы, которые могут сохранять стабильность своих физических свойств в широком интервале температур представляют особый интерес для создания оптических устройств, работающих в стрессовых условиях.

Разработанный и запатентованный нами материал – оптический ситалл, относится именно к такому классу материалов. В широком диапазоне температур от -100 до +200°C значение температурного коэффициента линейного расширения ситалла остается постоянным и близким к нулю, то есть линейные размеры материала не меняются при переходе от отрицательных температур к положительным, что отличает его от всех известных в мире материалов. При этом разработанный материал технологичен, сохраняет высокие значения прочностных характеристик и светопропускания. Совокупность характеристик разработанного оптического ситалла делает его наиболее перспективным материалом для создания нового поколения лазерных гироскопов и оптических систем, работающих в стрессовых температурных условиях.


Оптические светофильтры

Отливки стекол для
оптических светофильтров

Оптические светофильтры используются для избирательного поглощением светового излучения в широком диапазоне длин волн и находят свое применение от лабораторного и аналитического оборудования до систем дистанционного зондирования земли из космоса. Наиболее эффективным материалом для производства светофильтров являются цветные и бесцветные оптические стекла, вариация химического состава которых позволяет формировать необходимые границы областей спектра.

Производство оптических стекол для светофильтров в России развито очень слабо и для создания подавляющего большинства российских оптических приборов используются импортные стекла. Сотрудниками нашего Центра была разработана технология малотоннажного производства ряда оптических стекол для светофильтров марок НС, КС, ОС, ЗС, СЗС и УФС, получены отливки стекол высокой оптической однородности, спектральные характеристики которых полностью удовлетворяют требованиям действующих ГОСТов к оптическим стеклам.


Сферические микрорезонаторы с модами шепчущей галереи

Сферические микрорезонаторы
диаметром 20-30 мкм

Микросферические оптические резонаторы c модами шепчущей галереи перспективны в качестве оптоэлектронных приборов нового поколения, микрогенераторов лазерного излучения и систем биологического детектирования.

Нашей командой создана универсальная линия по производству стеклянных микросферических резонаторов с возможностью широкого варьирования как размеров (от 0,5 до 50 мкм), так и химического состава микрорезонаторов.

В ходе исследований нами были получены стеклянные микрорезенотары иттрийалюмосиликатных и калийалюмофосфатных составов, содержащих наночастицы золота, ионы гольмия, иттербия и неодима и показана возможность генерации в них мод шепчущей галереи.