Лазерная нанокерамика на основе композиционных материалов MgO-RE2O3, легированных ионами Tm, Ho и Er

Развитие технологии оптической керамики определило значительный прогресс в изготовлении новых лазерных и магнитооптических материалов, позволило продвинуться в разработке лазеров и изоляторов Фарадея с уникальными характеристиками. Тем не менее, применение керамического подхода к получению лазерных поликристаллов ограничивается материалами с кубической кристаллической решёткой, поскольку анизотропность остальных типов структур приводит к оптическим потерям на рассеяние. Дальнейшее развитие в данной области может быть связано с переходом на использование композиционных керамических материалов, выгодно отличающихся комплексом механических и теплофизических свойств. Обычно двухфазные композитные керамики не рассматриваются в качестве оптических материалов из-за сильного рассеяния излучения на границах зёрен, обусловленного существенным различием в показателях преломления между фазами. Однако, в последнее время было показано, что за счёт уменьшения размера зёрен (формирования субмикронной структуры материала) возможно получение двухфазных керамик MgO-Y2O3 и MgO-Gd2O3 с пропусканием в диапазоне длин волн 1,5-8 мкм на уровне монокристаллов оксидов редкоземельных элементов. При этом уменьшение среднего размера зёрен улучшает механические характеристики этих материалов, а рост объёмной доли MgO композите MgO-Y2O3 увеличивает его теплопроводность. Основным направлением развития работ по получению композитов MgO-Y2O3 и MgO-Gd2O3, на сегодняшний день, является выбор условий спекания керамики с минимальным размером зёрен с целью использования данных материалов в качестве защитных окон инфракрасных систем аэрокосмической техники. Вместе с тем, в диапазон прозрачности подобных композитных материалов попадают длины волн излучения лазерных сред на ионах туллия, гольмия и эрбия (2-3 мкм), а преимущества в механических и теплофизических свойствах способны обеспечить увеличение мощности и надёжность лазерных систем. При этом имеется лишь несколько сообщений об исследовании люминесценции композиционных керамик Er:MgO-Y2O3 и Но:MgO-Y2O3 в области 1,5 и 2 мкм, а легирование ионами Tm3+ композитов оксид магния – оксид РЗЭ не реализовано вовсе. Нет также сведений о возможности получения подобных композиционных материалов на основе оксидов скандия и лютеция. Настоящий проект направлен на разработку научных основ и создание новых перспективных видов оптических керамик на основе композитов оксид магния – оксид редкоземельного элемента, легированных ионами эрбия, гольмия и туллия для лазеров диапазона 2-3 мкм. Для этого будут разработаны методики самораспространяющегося высокотемпературного синтеза высокодисперсных порошков MgO-RE2O3 (RE = Y,Sc,Lu,Gd), легированных ионами Tm,Ho и Er, установлены условия их консолидации в плотные керамические образцы методом горячего прессования. На основании комплексного исследования микроструктуры методами электронной и лазерной 3D-ультрамикроскопии будут выявлены источники оптических потерь на рассеяние, лимитирующие пропускание материала. Это позволит оптимизировать технологические параметры и получать целевые материалы со средним размером зёрен ~ 100-150 нм, что обеспечит их высокую прозрачность в ИК-диапазоне и позволит осуществить на выбранных материалах эффективную лазерную генерацию.