Глава 10. Элементная база квантовой электроники


Элементная база твердотельных лазеров

Элементная база твердотельных лазеров включает много изделий, которые изготавливаются из монокристаллов. Надо сказать, что всего несколько стран в мире могут позволить себе содержать такую технологию – она дорогая, трудоемкая и требует использования в большом количестве металлов платиновой группы. Чтобы развернуть такое производство, нужны большие стартовые вложения. Так, процесс выращивания одной партии кристаллов может длиться несколько недель. В течение этого времени необходимо поддерживать температуру (до 2000 градусов Цельсия) с точностью до десятой градуса, контролируемо ее менять. При этом небольшие скачки напряжения могут привести к сбою требуемых параметров и прерыванию процесса.
Глава 10. Элементная база квантовой электроники. Фото 1
Продукция отдела на выставке «Фотоника 2017»
Традиционно, только в трех странах развивалось это направление: в Китае, СССР и США. Сегодня, несмотря на спад объемов производства кристаллов в «Полюсе» (в мире в этом секторе доминируют американские и китайские производители), нет технологического отставания – НИИ обладает основополагающими технологиями, позволяющими создавать кристаллы, не уступающие по своим характеристикам лучшим зарубежным образцам. Показательно, что Богородский завод, входивший в состав НПО «Полюс», и в котором сотрудники НИИ запускали технологическую цепочку производства кристаллов, получил швейцарский заказ от Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) на производство кристаллов для Большого адронного коллайдера. Коллайдер укомплектован кристаллами, выращенными в России.

Доступность современного российского рынка для зарубежных производителей остро ставит вопрос о поиске путей сохранения базовых технологий, к числу которых, безусловно, относится и технология выращивания диэлектрических кристаллов. Естественным выходом из сложившейся ситуации является создание и реализация значительного научно-технического задела для модернизации существующих технологий и создание новой, конкурентоспособной продукции в институте в первую очередь за счет собственных средств.

В последние годы была проведена реконструкция и техническое перевооружение технологического участка по выращиванию кристаллов и участка нанесения диэлектрических и токопроводящих покрытий, что позволило выполнить ряд НИР и ОКР по разработке новых кристаллов и элементов твердотельных лазеров, усовершенствовать ряд технологических процессов и обеспечить выпуск кристаллов и элементов в необходимых объемах для комплектации собственного производства лазерной техники и активно продавать лазерные кристаллы и элементы в стране и за рубежом.
Глава 10. Элементная база квантовой электроники. Фото 2
Александр Валентинович Шестаков
Усилиями научного и производственного коллектива (С.А. Большаков, И.А. Шестакова, Р.М. Бойко, В.В. Новопашин, А.М. Сатаев) производственный участок НИИ «Полюс» в последние годы обеспечивает выпуск широкой номенклатуры кристаллов и элементов лазерной техники, которая по своим характеристикам не уступает лучшим зарубежным образцам. Следует отметить разработку и выпуск активных элементов на основе иттрий-алюминиевого граната, активированных не только неодимом, но и другими редкоземельными ионами, такими как иттербий, эрбий, тулий и гольмий. Разработка и исследования этих кристаллов проводились для создания высокоэффективных лазеров ближнего и среднего инфракрасного диапазонов и в настоящее время организован выпуск широкой номенклатуры лазерных элементов для лазеров, излучающих в диапазоне 1,8–3 мкм.
Глава 10. Элементная база квантовой электроники. Фото 3
Технологическая установка «Гранат»
Важным достижением института является создание и выпуск серии не имеющих зарубежных аналогов электрооптических затворов на основе ниобата лития, работающих в широком интервале температур. В этих изделиях за счет применения электрооптических элементов с «брюстеровскими» торцами, обеспечивающими растяжку пучка, решена проблема стойкости изделий к воздействию лазерного излучения. Электрооптические затворы на основе кристаллов ниобата и танталата лития выпускаются и успешно применяются для модуляции добротности твердотельных лазеров на активированных кристаллах, излучающих в диапазоне длин волн 1,06–3 мкм.
Глава 10. Элементная база квантовой электроники. Фото 4
Гурий Михайлович Ромадин
Глава 10. Элементная база квантовой электроники. Фото 5
Владимир Михайлович Гармаш
Помимо электрооптических затворов разработаны и выпускаются пассивные кристаллические лазерные затворы на основе кристаллов иттрий-алюминиевого граната YAG: Cr+4 и гадолиний-скандий-галлиевого граната GSGG: Cr+4, широко применяющиеся для модуляции добротности твердотельных лазеров, излучающих на длине волны 1,06 мкм, в частности, при производстве малогабаритных дальномеров.

Решена проблема создания пассивного затвора для лазера на длине волны 1,54 мкм для «безопасных» лазерных дальномеров на основе кристаллов гексаалюмината лантана-магния или шпинели, активированных ионами кобальта, а также для твердотельных лазеров, излучающих в области 1,3 мкм на основе кристаллов иттрий-алюминиевого граната с ванадием.
Глава 10. Элементная база квантовой электроники. Фото 6
Новый ростовой участок с оборудованием для выращивания монокристаллов по методу Чохральского
За последние несколько лет после исследований и модернизации оборудования в производстве была освоена технология выращивания крупногабаритных кристаллов иттрий-алюминиевого граната диаметром более 40 мм, активированных редкоземельными ионами Er, Yb, Tm/ Ho/Cr, а также кристаллов YAG с высокой концентрацией Nd (до 1,5 % ат.) и примесью Ce+3. Это дало возможность увеличить объемы выпуска высококачественных лазерных элементов и провести разработку ряда новых конкурентоспособных лазеров и лазерных систем. Кроме того, был проведен цикл работ по модернизации существующих, разработке и внедрению новых электрооптических и пассивных затворов для твердотельных лазеров с ламповой и полупроводниковой накачкой.

В настоящее время в связи с широким применением в твердотельных лазерах полупроводниковой накачки и, фактически, с появлением нового поколения твердотельных лазеров, актуальным является вопрос о разработке новой элементной базы, адаптированной для этих приборов. Потребности сегодняшнего рынка лазерных элементов настоятельно требуют разработки новых технологий, кристаллов, лазерных элементов и устройств управления лазерным излучением. С использованием технологии диффузионной сварки кристаллов созданы первые композитные лазерные элементы на основе иттрий-алюминиевого граната с различным легированием (И.А. Шестакова, С.А. Большаков, А.В. Шестаков), позволяющие создавать функционально-различные лазерные композитные структуры. Успехи этих технологических работ уже в настоящее время позволили создать первые образцы твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой, обладающих рекордными параметрами. На основе таких кристаллов созданы одномодовые, одночастотные «микрочип»-лазеры с диодной накачкой, работающие в режиме модуляции добротности и генерирующие импульсы с выходной энергией до 500 мкДж с длительностью импульсов менее 300 пс и частотой следования до 5–8 кГц. По своим габаритам такие источники излучения сопоставимы с полупроводниковыми лазерами.

Другой демонстрацией качества вновь разработанных элементов является создание непрерывного одномодового лазера с диодной накачкой, работающего как в непрерывном режиме, так и в режиме с акустооптической модуляцией добротности резонатора. При накачке 60 Вт выходная мощность лазера составляет 20 Вт в непрерывном режиме или в режиме модуляции добротности с частотой 15–20 кГц. Лазер представляет собой компактное устройство с размерами излучателя 360х360х160 мм и общим энергопотреблением 300 Вт.

Большой объем научно-исследовательских работ был проведен по созданию активных элементов на основе Al2O3: Ti+3 и YAG: Cr+4 для перестраиваемых лазеров и лазеров с синхронизацией мод. Для определения качества активных элементов были созданы экспериментальные образцы лазеров такого типа, в том числе с полупроводниковой накачкой. Полученные параметры свидетельствуют о высоком качестве разработанных активных элементов и получили признание научной отечественной и зарубежной общественности. Направление по диэлектрическим кристаллам и элементной базе твердотельных лазеров обладает большим потенциалом и способно обеспечить отечественные потребности основными лазерными материалами.

В заключение отметим еще раз ветеранов института, внесших решающий вклад в разработку и становление направления монокристаллов для лазеров. Это Е.Р. Алеев, Н.Б. Ангерт, С.А. Барышев, Н.И. Бородин, Н.С. Громов, М.Ф. Колодобская, А.П. Кудрявцева, С.В. Протасова, Л.Н. Райская, И.С. Рез, А.И. Сафонов, Г.И. Тюшевская, В.Л. Фарштендикер, А.А. Филимонов и другие специалисты, а также аппаратчицы, обеспечивавшие многосменный непрерывный процесс выращивания монокристаллов – Т.И. Буфеева, Г.Д. Ерошина, А.В. Жиглова, С.Е. Илюшина, А.К. Ибрагимова, З.Г. Миронова, Л.С. Никифорова, Г.А. Суркова, Т.Ф. Яновская, и наладчики оборудования А.Н. Силков, Н.Ф. Волков, В.Н. Касоткин, Э. Луферов.

Все они посвятили значительную часть своего жизненного пути высокой технологии выращивания диэлектрических монокристаллов для лазеров. Твердотельные лазеры на кристаллах, с которых началась лазерная эра более 50 лет назад, продолжают свое победное шествие.

Акустооптика

С 1972 года и по настоящее время в НИИ «Полюс» разрабатываются и изготавливаются акустооптические приборы (АО) различных типов на уровне лучших мировых образцов.

До появления лазеров интерес к акустооптическому, или фотон-фононному, взаимодействию имел, главным образом, академический характер. Затем ситуация радикально изменилась. Поскольку теоретические основы АО взаимодействия уже были разработаны, главной задачей явилось решение проблемы эффективного возбуждения в прозрачных материалах звуковой волны. В 1965 году был создан искусственный кристалл ниобата лития, обладающий пьезоэлектрическим эффектом с высоким коэффициентом электромеханической связи для продольной и сдвиговой звуковых волн.

В 1968 году была разработана технология холодной диффузионной сварки пластины из ниобата лития со звукопроводом из прозрачного материала. Ее особенность состоит в том, что поверхности пьезопластины и звукопровода, покрытые в вакууме индием, в вакууме же соединяются и сжимаются. Затем пластина ниобата лития сошлифовывается до требуемой (полуволновой) толщины, обычно это несколько десятков микрон. На ее внешнюю поверхность испарением в вакууме наносится электрод, к которому подводится ВЧ мощность. Несмотря на отличие коэффициентов теплового расширения (КТР), такая конструкция выдерживает значительные перепады температур, но даже при растрескивании сошлифованной пластины эффективность пьезопреобразователя практически не меняется.

В конце 60-х и начале 70-х годов основное внимание уделялось приборам, использующим изотропную дифракцию (имеется ввиду АО взаимодействие в изотропном материале), а именно модуляторам интенсивности излучения и дефлекторам – устройствам, меняющим угловое положение луча. Ближайшим конкурентом АО приборов являются приборы, основанные на электрооптическом эффекте. Быстродействие АО модуляторов ограничено временем, которое необходимо звуковой волне для пересечения светового луча, и в этом плане преимущество электрооптики очевидно. Однако для электрооптических модуляторов необходимо высокое управляющее напряжение, а оптическая схема сложнее, чем у АО аналогов. Особенно это заметно для приборов ИК диапазона. Впоследствии для использования каждого из этих эффектов нашлась своя ниша.

В конце 60-х годов были созданы первые АО затворы, причем пьезопреобразователи были из кристаллического кварца. Впоследствии АО затворы стали самыми востребованными приборами. Типичная область применения лазеров с этими изделиями – это гравировальные аппараты и устройства для резки металлов. В затворах обычно используется не самый эффективный, но самый стойкий к излучению оптический материал – плавленый или кристаллический кварц. Потребность в АО затворах определяется развитием промышленности: если потребность Китая в этих приборах составляет порядка 2500 штук в год, то в России – около 100 штук в год.

Развитие производства волоконных лазеров в некоторой степени снизило потребность в мощных АИГ лазерах и, следовательно, в затворах к ним. Но стоит отметить, что оптическое волокно не может пропускать через себя большие энергии, которые генерируются, к примеру, в твердотельных лазерах. Поэтому волоконные лазеры не могут полностью заменить эти типы лазеров и устройства для управления мощными лазерными пучками. Похожая ситуация сложилась с производством модуляторов для излучения с длиной волны 10,6 мкм. В 90-х годах потребность в этих модуляторах была достаточно велика. Однако появление СО2 лазеров с ВЧ накачкой существенно снизило потребность в этих приборах, поскольку управление мощностью излучения свелось к управлению мощностью ВЧ накачки.
Глава 10. Элементная база квантовой электроники. Фото 7
Леонид Николаевич Магдич
Немеханическое управление положением лазерного луча всегда считалось актуальной проблемой. Акустооптические дефлекторы в какой-то степени могут считаться ее решением, хотя есть альтернативные варианты. В видимом диапазоне длин волн и ближнем ИК парателлурит – кристалл с очень высокой анизотропией свойств – вне конкуренции, поскольку при использовании «медленной» акустической волны (скорость акустических волн в этом кристалле близка к скорости звука в воздухе) он имеет высокий коэффициент АО качества и позволяет реализовать преимущество анизотропной дифракции. Диапазон рабочих частот для дефлекторов на парателлурите ограничен затуханием звука и обычно не превосходит 100 МГц, а разрешение составляет около 500 позиций. Из-за этого ограничения и из-за ограничения эффективности величиной около 80 % преимущество АО дефлекторов перед механическими (гальваническими) дефлекторами на пьезоприводе или перед адаптивными зеркалами не кажется значительным.

Однако есть области, где АО устройства не имеют конкурентов. Ими являются приборы для сдвига частоты лазерного излучения и акустооптические фильтры. Сдвиг частоты дифрагированной волны – это следствие закона сохранения энергии при АО взаимодействии. Максимальная величина частотного сдвига – несколько ГГц, причем ее величина ограничена затуханием звука в материале. Например, для кристаллического германия ограничение составляет около 500 МГц. Для низкочастотного сдвига обычно используются две ячейки. Одна из них повышает частоту световой волны, а другая понижает. Таким образом, можно обеспечить любую величину частотного сдвига.

Акустооптический фильтр – один из самых интересных приборов, позволяющий из светового спектра выделить определенную длину волны и менять ее в соответствии с частотой приложенного напряжения. Для создания АОФ необходимо осуществление анизотропной дифракции и, следовательно, двулучепреломляющий акустооптический материал. В коллинеарных конструкциях, предложенных Диксоном, Харрисом, Кастерсом и в неколлинеарной конструкции Чанга обеспечивается АО взаимодействие для расходящихся световых пучков. В этом заключается принципиальное отличие АО фильтров от других АО приборов.

Характерная ширина полосы пропускания АО фильтра в видимом диапазоне – несколько нм. Область применения АОФ – спектральный анализ изображений и спектральные приборы. Парателлурит, самый эффективный акустооптический материал, не может использоваться для коллинеарного взаимодействия из-за своих физических свойств. Эта проблема была решена Волошиновым, предложившим квазиколлинеарную конструкцию, в которой выполняется условие коллинеарности только для групповых скоростей взаимодействующих волн. В результате ценою снижения угловой апертуры до уровня дифракционной расходимости удалось примерно на порядок повысить разрешение АО фильтров.

Еще один тип АО приборов – это синхронизаторы мод. В звукопроводе синхронизатора создается стоячая звуковая волна, когда частицы материала дважды за период колебаний проходят через положение равновесия. Традиционный материал синхронизатора мод – плавленый или кристаллический кварц.

Таблица 1. Акустооптические затворы (все параметры могут быть предметом обсуждения)
Тип изделияДлина волны, мкмАктивная апертура, ммЧастота ВЧ-сигнала, МГцПоляризацияЭффективность, %/Вт
MZ-321M1,064350произвольная4,3
MZ-3221,054280линейная10
MZ-3081,064180линейная10
MZ-308Te1,064280линейная85 %(5 Вт)


Таблица 2. Акустооптические дефлекторы. Поляризация излучения линейная
Тип изделияДлина волны, мкмУгол сканирования, градЧастота ВЧ-сигнала, МГцАпертура, ммЭффективность, %
АОД 0,530,53460–95780 (3 Вт)
АОД 1,061,06664–94780(4 Вт)
АОД 1,541,54650–80780(5 Вт)
АОД 2,092,09734–54780 (6 Вт)


О материалах акустооптики следует поговорить отдельно. Свойства АО материалов описаны в справочнике «Акустические кристаллы». Из всех материалов, перечисленных в этом справочнике, наиболее востребованы кварц, парателлурит, германий. Ниобат лития всегда используется в качестве пьезопреобразователя. В качестве АО материала этот кристалл применяется в высокочастотных АО ячейках. Для длин волн, превышающих 5 мкм, в модуляторах и дефлекторах применяется изотропный материал – германий. Он обладает совокупностью качеств, необходимых для промышленного использования. Выбор анизотропного материала для этого диапазона длин волн является серьезной проблемой. Например, теллур кристаллический, каломель представляются вполне подходящими, если ориентироваться на их АО свойства, но они оказываются не пригодными для применения из-за низкой технологичности. Стабильным спросом для промышленного применения пользуются только АО затворы. Спрос на АО приборы других типов носит эпизодический характер. Как правило, он связан с научными работами или с созданием новых устройств.

В НИИ «Полюс» существует научная и технологическая база для разработки и изготовления АО приборов с любым технически обоснованным набором параметров. В таблицах, приведенных ниже, описаны некоторые типы АО приборов, разработанных в НИИ «Полюс».

Разработаны и поставляются малыми сериями и другие АО приборы, например, устройства сдвига частоты, синхронизаторы мод, модуляторы излучения.

Таблица 3. Акустооптические перестраиваемые фильтры (АОФ)
Тип АОФДиапазон перестройки, мкмМатериалАпертура, МмЭффективность, %
Неколлинеарный1–2Парателлурит12х1290
Квазиколлинеарный0,65 – 1,3Парателлурит3х380
Коллинеарный0,3–0,6Кварц кристаллический3х380
РФ, 117342, г. Москва,
ул. Введенского, д. 3, корп. 1