Международный центр лазерных технологий

Научные результаты:

• Показана возможность записи фемтосекундным (ФС) лазерным пучком двулучепреломляющих нанорешеток в стеклах различных систем – от бинарных до многокомпонентных. Установлены закономерности, связывающие параметры лазерного пучка и его геометрию с особенностями строения стекла, в первую очередь со степенью связности силикатного каркаса. Установлено, что для формирования нанорешеток в многокомпонентных стеклах число записывающих импульсов на порядок больше, чем в кварцевом стекле (десятки и сотни импульсов). Предложено решение возможной записи данных однократным воздействием на стекло «гребенкой» ФС импульсов, причем стекло должно обладать нанопористой структурой.
• Впервые установлено на примере щелочно-силикатных стекол, что, в отличие от кварцевого стекла, формирование нанорешеток в многокомпонентных стеклах связано с перераспределением и дифференциацией химических элементов внутри нанорешетки с концентрацией щелочных катионов в ее «наноплоскостях» и практически полным их отсутствием в широких зонах между «наноплоскостями». Обнаруженное явление открывает пути к управлению химическим составом и свойствами стекла в наномасштабе. Открытый эффект химической дифференциации при образовании нанорешеток в многокомпонентных стеклах указывает на реальную возможность создания полых наноканальных структур с помощью селективного травления нанорешеток, «вытянутых» в линию, а также наноканалов большой длины с анизотропной катионной проводимостью за счет периодической модуляции в нанорешетках однозарядных катионов.
• Предложены новые решения создания технологии управляемого формирования трехмерных кристаллических архитектур в объеме стекол. Разработана уникальная методика получения кристаллических волноводов с использованием перетяжки сфокусированного лазерного пучка с эллиптическим сечением и показана возможность получения высокооднородных кристаллических волноводов в объеме стекла. Сформированные кристаллические волноводы характеризовались пониженными для такого рода структур оптическими потерями при распространении света – около 2,6 дБ/см. Кроме того, впервые был зарегистрирован интенсивный сигнал генерации второй гармоники на длине 515 нм на выходе кристаллического волновода, по которому распространялось излучение фемтосекундного лазера на частоте 1030 нм.
• Разработана оригинальная методика прецизионного «стирания» кристаллических волноводов, обеспечивающая «заживление» трещин в их структуре, что позволяет расширить набор инструментов для создания сложных интегральных оптических схем на основе кристаллических структур в стеклах и перезаписывать дефектные фрагменты волноводной структуры. Суть методики заключается в аморфизации выбранного кристаллического участка за счет локального нагрева стекла при сканировании лазерным пучком со скоростью, многократно превышающей скорость формирования кристаллической фазы. Продемонстрированы два варианта «стирания» ранее записанной кристаллической структуры. Первый вариант предназначен для удаления протяженных кристаллических волноводов и реализуется при энергиях импульса, близких к тем, при которых происходит рост кристаллов. Установлено, что, регулируя параметры расположения траектории, можно аморфизировать, например, только часть кристаллического трека по его глубине. Второй вариант разработан для аморфизации микронных локальных участков. Разрешение в этом случае лимитируется плотностью фокусировки лазерного пучка. Важным преимуществом разработанной методики является возможность повторного формирования кристалла в аморфизированной лазерным пучком области.
• Предложены методы записи канальных волноводов в активированных монокристаллах, которые позволили сформировать люминесцирующие волноводы с низкими оптическими потерями и создать миниатюрный интегральный волноводный лазер с диодной накачкой, работающий на принципе синхронизации мод и генерирующий импульсы со сверхвысокой частотой повторения (~11 ГГц). При формировании ФС пучком треков в кристаллах YAG:Nd и YAG:Yb впервые наблюдался фазовый переход из граната в перовскитоподобную фазу.
• Предложен способ лазерной записи канальных аморфных волноводов в стеклах на примере высокочистого вольфрамо-теллуритного стекла, легированного оксидом висмута. Способ заключается в перемещении образца ортогонально оси пучка и записи серии треков при различных энергиях в импульсе, частотах повторения и скоростях сканирования. Создан одномодовый волновод с оболочкой с пониженным показателем преломления, состоящий из 32 треков. Полные внутренние потери на длине волны 1064 нм составляют менее 5%. Волноводы предлагаемой архитектуры перспективны для нелинейно-оптической конверсии, например для генерации суперконтинуума в среднем ИК.
• Обнаружен эффект одновременного формирования поляризационно-зависимого двулучепреломления и люминесценции, связанной с образованием нанокластеров серебра в цинкофосфатных стеклах, что может послужить основой как для разработки «шестимерной» оптической памяти с тремя независимыми параметрами, которые можно задавать при записи одной точки, так и для устройств со сложным профилем двулучепреломления и люминесценции.
• Найдены режимы локального формирования в стеклах нанокластеров и плазмонных наночастиц серебра лазерным пучком, а также волноводных структур, содержащих плазмонные наночастицы.
• Разработаны методы травления микроканальных структур в кварцевом, а также в ряде многокомпонентных стекол с возможностью варьирования поперечных размеров канала для потребностей микрофлюидики. Проведен сравнительный анализ режимов лазерной обработки и травления, требуемых для формирования микроканалов в этих стеклах.
• Разработаны методы синтеза микрошариков из люминесцирующих стекол с различными активаторами на основе иттриевоалюмосиликатной и фосфатной матриц в пучке плазматрона. Показана возможность использования полученных микросфер в прецизионном датчике температуры, основанном на смещении резонансных частот мод шепчущей галереи.

Внедрение результатов исследования:

• Запущен проект Фонда перспективных исследований и Минобрнауки РФ, направленный на разработку опытных образцов систем записи и считывания информации в стеклах в 5D формате.

• Впервые продемонстрировано формирование в многокомпонентных стеклах нанорешеток с двулучепреломлением, достаточно сильным для использования их в практических приложениях, в частности, создан первый в мире конвертор поляризации лазерного пучка на многокомпонентном стекле (марки AF32). Ряд таких конверторов, изготовленных в РХТУ, используется в Институте физики имени Б. И. Степанова НАН Беларуси, а также в Научном центре волоконной оптики РАН.

• Разработанные методики синтеза прозрачной стеклокерамики с улучшенными механическими свойствами используются для создания технологии получения защитных экранов для дисплеев нового поколения.

• Изготовлен ряд образцов с полыми микроструктурами в стекле, которые в настоящее время используются для разработки миниатюрных акселерометров в НИИ «Полюс» имени М. Ф. Стельмаха.

Образование и переподготовка кадров:

• Защиты: 2 докторские диссертации, 10 кандидатских диссертаций.

• 3 сотрудника лаборатории прошли длительные стажировки в Университете Саутгемптона (Великобритания).

• Подготовлено и внедрено 12 новых учебных курсов для студентов и аспирантов, издано 3 учебных пособия: «Материалы для электроники и фотоники» (аспирантура), «Композиты на основе силикатных и тугоплавких неметаллических материалов» (аспирантура), «Современные методы исследования силикатных и тугоплавких неметаллических материалов» (аспирантура), «Наноструктурированные материалы на основе стеклообразных и керамических матриц» (аспирантура), « Современные проблемы химической технологии стекла (Б1.В.ДВ.2.1)» (магистратура), «Специальные технологии стекол (Б1.В.ДВ.3.1)» (магистратура), «Физическая химия стеклообразного вещества (Б1.В.ДВ.1.1)» (магистратура), «Химическая технология стеклокристаллических материалов (код Б1.В.ДВ.4.1)» (магистратура), «Новые стеклообразные материалы и методы их синтеза (код Б1.В.ОД.8)» (магистратура), «Физическая химия стеклообразного вещества» (магистратура), «Химическая технология стекла» (бакалавриат), «Специальные технологи стекол и материалов на их основе» (бакалавриат)

• Ежегодно проводятся курсы повышения квалификации для студентов, аспирантов и молодых ученых на темы: «Новые подходы к применению стекол в информационных технологиях» и «Управляемое формирование нано- и микронеоднородностей в оксидных стеклах: новые подходы и возможные приложения».

Организационные и инфраструктурные преобразования:

Создано ООО «НПЦС» для разработки инновационной технологии вытяжки стеклокристаллической высокопрочной прозрачной ленты для защиты экранов мобильных устройств.

Другие результаты:

• Получено 32 гранта РФФИ, РНФ, ФПИ, грантов Президента РФ по тематике проекта.

• Сотрудники лаборатории, включая аспирантов и студентов, приняли участие более чем в 50 международных конференциях, представив более 100 докладов.

• В результате выполнения проекта в лаборатории создан мощный комплекс технологического, экспериментального и аналитического оборудования, позволяющий проводить исследования в широкой области задач, связанных с синтезом и лазерным модифицированием стекол и монокристаллов, включая объемные образцы, пленки, волокна и микросферы. По уровню оснащенности и качеству используемого оборудования Лаборатория находится в ряду ведущих мировых лабораторий, занимающихся исследованиями в области лазерного модифицирования и микромашининга материалов, и при этом обладает собственной базой для синтеза стекол высокого качества.

Сотрудничество:

• ОАО НИИ «Полюс» имени С. М. Стельмаха (Россия): совместные исследования по изучению генерационных характеристик волноводных лазеров, показана возможность создания компактных когерентных источников ближнего ИК-диапазона

• Институт физики Национальной академии наук Беларуси: совместные исследования по изучению волноводных и люминесцентных характеристик хантитоподобных стекол

• ООО «Электростекло» (Россия): совместные исследования, изготовлены пробные образцы активных элементов миниатюрных твердотельных лазеров с селективной накачкой с широкой полосой люминесценции в ближней ИК-области спектра

• ФГУП «НПО имени С. А. Лавочкина» (Россия): совместные исследования возможности получения образцов кристаллизующихся стекол в виде ленты

• ООО «Алекс ЛАб СТ» (Россия): совместные исследования, проведен анализ оптических изображений, включающих двулучепреломляющие элементы микронного размера

• Научный центр волоконной оптики РАН (Россия): совместные исследования, созданы конверторы поляризации из стекла SHOTT AF32 в виде плоскопараллельных дисков с многослойными структурами из нанорешеток, сформированными в их объеме фемтосекундным лазерным излучением для формирования лазерных пучков с радиальной и азимутальной поляризацией