Лазерные керамики на основе редкоземельных оксидов для диапазона длин волн 2-3 мкм

Развитие лазерной техники во многом ограничивается имеющейся элементной базой активных сред. Развиваемые в последние годы керамические технологии дали мощный импульс в этом направлении, позволили получить много новых материалов высокого оптического качества и продвинуться в разработке лазеров с уникальными характеристиками – высокой импульсной и средней мощностью, компактностью, сверхкороткими импульсами и пр. Целью настоящего проекта является разработка и создание новых перспективных видов оптических керамик на основе смешанных редкоземельных оксидов для лазеров среднего ИК-диапазона длин волн (2-3 мкм). Выбор объекта исследований – керамики редкоземельных оксидов, легированные ионами Tm3+ или Er3+ – обусловлен высокими ожидаемыми научными результатами и высоким потенциалом применения лазеров среднего ИК-диапазона в науке, промышленности и медицине. Использование смешанных оксидов РЗМ (Sc, Y, La, Gd, Lu) в качестве матриц позволит изменением состава регулировать свойства активных элементов, что с высокой вероятностью приведёт к созданию лазеров и усилителей с уникальными характеристиками. Например, изменением состава можно будет согласовать максимум поглощения активной среды с доступной накачкой, что повысит КПД генерации. Создание сред со смещённой на несколько нанометров друг относительно друга длиной волны генерации может привести к созданию высокочувствительных лидаров дифференциального поглощения (излучение около 2,3 мкм попадает в окно прозрачности атмосферы и совпадает с линиями поглощения молекул оксида углерода II (CO), формальдегида (H2CO) и метана (CH4)). Согласование длины волны генерации с линией поглощения определённой молекулы позволит использовать такие лазеры для прецизионной обработки пластиков, тонкого органического синтеза, медицинских приложений (например, неинвазивного анализа глюкозы). Высокое поглощение лазерного излучения с длиной волны 2.7-2.8 мкм биологическими тканями приводит к небольшой глубине его проникновения, низкому поражению окружающих тканей, отсутствию карбонизации и, соответственно, широкому кругу новых возможностей применения лазеров в медицине и косметологии. Расширение спектра генерации за счёт разупорядоченной структуры матрицы позволит получать лазерное излучение фемтосекундной длительности в среднем ИК диапазоне, что крайне востребовано, например, для последующего их преобразования в когерентные импульсы рентгеновского диапазона. Мощные источники излучения в области 3 мкм могут быть использованы в качестве накачки более длинноволновых лазеров на основе ионов Fe2+, что, в частности, крайне востребовано оборонной промышленностью. Таким образом, создание новой элементной базы для лазеров среднего ИК-диапазона является важнейшей научно-практической задачей, решение которой окажет влияние на развитие других отраслей науки и техники. К настоящему времени имеются лишь отдельные публикации по лазерной генерации в области 2.7-2.9 мкм на ионах Er3+ в индивидуальных оксидах РЗМ, а генерация в области 2.3 мкм на лазерном переходе 3H4-3H5 ионов Tm3+ не реализована даже в индивидуальных оксидах РЗМ. В рамках предлагаемого проекта будут разработаны методики синтеза керамических нанопорошков с регулируемыми структурно-морфологическими характеристиками, отработаны режимы их компактирования методами коллоидной химии и прессования, найдены необходимые спекающие добавки, а также выявлены кинетические параметры консолидации с целью контроля зёренной структуры и пористости керамик. Формирование новых лазерных керамик будет осуществлено как независимо, так и в сочетании методов свободного вакуумного спекания, искрового плазменного спекания, горячего прессования и горячего изостатического прессования. Исследование диффузионно-лимитированных процессов при консолидации нанопорошков, анализ и обобщение качественных и количественных взаимосвязей параметров структуры и свойств керамических твердых растворов позволит существенно расширить знания в области оптического материаловедения оксидов РЗЭ (Sc, Y, La, Gd, Lu). Задачи проекта являются междисциплинарными, и будут решаться коллективом высококвалифицированных специалистов в области неорганической и физической химии, материаловедения, оптики и лазерной физики. Совокупность полученных научных и технологических данных позволит существенно расширить представления о методах создания оптических керамик и управления их свойствами, сформировать целостное представление о взаимосвязях их состава и лазерных характеристик. Перспективность применения оптических керамик на основе смешанных оксидов РЗМ, в том числе в медицине и экологическом мониторинге, будет иметь долгосрочное положительное влияние на повышение качества жизни населения.