• Разработка технологии получения оксидной керамики для оптики и лазерной техники
  Руководители направления
  

  Лопухин К.В. ст. науч. сотр. эл. почта: [email protected]
  Балашов В.В. науч. сотр. эл. почта: [email protected]

  
  

  Разработка технологии получения оксидной керамики для оптики и лазерной техники была инициирована Копыловым Ю.Л. в начале 2000-х годов. Керамика, как лазерный материал имеет неоспоримые преимущества перед другими лазерными материалами, особенно в системах высокой и сверхвысокой мощности в различных отраслях промышленности, в частности в ядерной энергетике. Разрабатываемые технологии включают в себя методы подготовки исходных нано размерных порошков оксидов, методы их компактирования в заготовки и методы последующего спекания компактов в вакууме с образованием монолитного поликристаллического тела свободного от остаточных пор. Разработаны физические основы методов контроля оптического и лазерного качества образцов керамик. На запущенной в работу и принятой госкомиссией технологической линии получены первые образцы промышленной отечественной лазерной керамики по своим оптическим и лазерным характеристикам, не уступающие изделиям мировых лидеров – Японии, США и Китая.
  Одной из основных проблем технологии получения оптической керамики лазерного качества, является задача устранения остаточных пор. В рамках процесса твердофазного реактивного спекания большое число факторов ответственно за появление остаточной пористости и такие, как морфология и дисперсность порошков исходных оксидов, отступление от стехиометрии в химическом составе смеси оксидов, условия компактирования и спекания, а также наличие и тип спекающих добавок (СД).
  
  Оборудование:

  

  Гидравлический пресс МС-2000 с комплектом пресс-форм для одноосного прессования компактов диаметром до 90 мм. Также имеется комплект оснастки для проведения холодного изостатического прессования (ХИП/CIP) заготовок (диаметром до 35 мм) до давлений 250 МПа.

  

  Мельницы для помола порошков: планетарная, шаровая, вибромельница, аттритор.

  

  Вакуумная печь для спекания заготовок в керамику: СШВЭ-1-2,5/25 И2, модифицированная, с рабочим диапазоном температур до 1900°С и остаточным давлением до 5х10^-7 мм.рт.ст..

  

  Установка для химического переосаждения исходных порошков.

• Разработка технологии получения оксидной керамики для оптики и лазерной техники
  Руководители направления
  

  Царюк Вера Ивановна вед. науч. сотр., д.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]
  Журавлев Константин Петрович ст. науч. сотр. эл. почта: [email protected]

  
  

  Потребность в новых дешёвых люминесцентных материалах для потенциальных применений в устройствах молекулярной электроники (органических светодиодах и др.), физических и биомедицинских сенсорах (дистанционных термометрах, сенсорах механических повреждений и др.), светопреобразующих субстанциях (покрытиях солнечных ячеек и др.) стимулирует исследования люминофоров на основе координационных соединений металлов, обладающих определённой цветностью излучения, высоким квантовым выходом люминесценции, высокой фотохимической устойчивостью и высокой летучестью. Изучение связи спектроскопических характеристик со строением соединений позволяет определять факторы, отвечающие за эффективность процессов сенсибилизации и тушения люминесценции, и управлять ими, варьируя элементы строения.
  В последнее время изучены особенности широкополосной и узкополосной люминесценции двух групп новых люминофоров, излучающих в зелёном и красном диапазонах оптического спектра: 1) комплексов d¹⁰ металлов (Zn²⁺ и Cd²⁺) с производными бензимидазола; 2) ароматических карбоксилатов (пиррол- и индолкарбоксилатов) лантаноидов (Tb³⁺ и Eu³⁺).
  Используемые экспериментальные методы включают: молекулярную инженерию, выращивание кристаллов, оптическую спектроскопию (спектры люминесценции, фосфоресценции, отражения и возбуждения, времена жизни электронных излучательных состояний, интенсивность люминесценции при температурах 77-295 К, колебательные ИК и КР спектры) и рентгеноструктурный анализ. Комплексное применение этих методов и анализ полученных данных позволяют устанавливать критерии отбора люминесцентных материалов c оптимальными свойствами и пути целенаправленного синтеза.
  

• Исследования в области технологии создания электронно – оптических преобразователей (ЭОП) и фотокатодов последних поколений

  Руководитель направления Листков Т.В. вед. конструктор эл. почта: [email protected]

  
  

  Эффективные генераторы сверхкоротких импульсов (СКИ) большой мощности и высокой частотой повторения (от 1 МГц до 100 МГц) остро востребованы в современных системах радиолокации и РЭБ. Предложенный в рамках работы вакуумный плоский фотодиод с водоохлаждаемым трубчатым анодом представляется перспективным прототипом мощного и эффективного генератора СКИ.
  

• Были найдены комбинации спекающих добавок, обеспечивающие остаточную концентрацию пор, не превышающую 0.0002%. Ниже представлены образцы керамик различного состава в том числе композитные керамики (с заданным распределением активатора/примеси).
  На керамике YAG:Nd были проведены лазерные эксперименты. Полученная дифференциальная эффективность в схеме с двусторонней поперечной накачкой активных элементов (4,5х5х20 мм) составила 70%. Нужно отметить, что указанная эффективность образцов керамики получена в условиях мощной накачки, до 1,8 кВт. Мощность генерируемого при этом лазерного излучения составляла 900 Вт.
  Проведенные исследования показали, что созданная на указанной технологической линии действительно соответствует уровню мировых достижений.

  

  Общий вид керамик YAG, изготовленных на ФКП «ГЛП «Радуга» по технологии разработанной в ИРЭ им В.А.Котельникова РАН

  

  Общий вид композитных керамик YAG, полученных на ФКП «ГЛП «Радуга» , изготовленных на ФКП «ГЛП «Радуга» по технологии разработанной в ИРЭ им В.А.Котельникова РАН

  На основе разработанной в нашей лаборатории технологии YAG, в настоящее время разрабатывается технология изготовления смешанных лютеций-иттрий алюминиевых гранатов с различным соотношением лютеция и иттрия. Данная работа находится на завершающей стадии. Работа ведется совместно с ФИАН им. П.Н. Лебедева и ФКП «ГЛП «Радуга».

  Фотографии образцов лазерной керамики, легированной Yb³⁺. Слева направо: Lu₂O₃, Y₂O₃ и Lu_0.5Y_0.5AG (d25x2.5; d50x2.5; d50x2.5 соответственно).

  Лазерная керамика на основе полуторных оксидов Y₂O₃ и Lu₂O₃ менее исследована и распространена, чем керамики на основе гранатов. У полуторных оксидов есть преимущество в теплопроводности перед гранатами, которое важно при создании лазеров высокой мощности. Но для того, чтобы замена хорошо изученного YAG на полуторные оксиды имела смысл, нужно получать Y₂O₃ и Lu₂O₃ керамику такого же качества, как гранат. В лаборатории ведется разработка технологий изготовления данных керамик как методом простого вакуумного спекания, так и с использованием метода горячего изостатического прессования (ГИП/HIP) совместно с ВлГУ им. А. Г. и Н. Г. Столетовых и МГУ им. Н.П. Огарева.

  Публикации:
  
  • V.V. Balashov, L. Yu Zakharov, A.V. Inyushkin, A. Yu Kanaev, A.B. Kozlov, S.M. Kozlova, A.L. Koromyslov, K.V. Lopukhin, V.A. Luzanov, K.S. Pervakov, I.M. Tupitsyn, D.A. Chernodoubov, E.A. Cheshev, Comparative study of LuxY1-xAG (x=0..1) laser ceramics doped with 5% Yb3+, Ceramics International, Volume 48, Issue 5, 2022, Pages 6294-6301
  • Konstantin N. Gorbachenya, Anatol S. Yasukevich, Viktor E. Kisel, Kirill V. Lopukhin, Vladimir V. Balashov, Alexander V. Fedin, Miron N. Gerke, Elena A. Volkova Vasiliy O. Yapaskurt, Nikolay N. Kuzmin, Dmitry A. Ksenofontov, Dmitry V. Korost and Nikolay V. Kuleshov Synthesis and Laser-Related Spectroscopy of Er:Y2O3 Optical Ceramics as a Gain Medium for In-Band-Pumped 1.6 μm Lasers, Crystals 2022, 12, 519

• Определены структурные особенности, влияющие на величину безызлучательных потерь и, соответственно, на яркость люминесценции соединений цинка и кадмия с двумя фенилсодержащими производными бензимидазола L¹ и L², являющихся “зелёными” (для L¹) и “красными” (для L²) люминофорами. Показано, что интенсивность люминесценции соединений с каждым из органических лигандов варьируется в пределах более чем трёх порядков величины в зависимости от их состава и строения. На следующем рисунке продемонстрировано качественное сравнение цветности и яркости исследованных люминофоров. Наиболее яркие соединения могут быть использованы в электролюминесцентных устройствах, в качестве флюоресцентных биомаркеров и сенсоров для ряда химических субстанций.

  

  Свечение люминофоров [Zn(L¹)₂Cl₂] и [Zn(L²)₂(NO₃)₂] при T = 295 K и λ_возб = 405 нм.

  

  

  Визуальный контроль цветности и интенсивности люминесценции при варьировании состава и строения соединений Zn и Cd с органическими молекулами L¹ и L². Т = 295 K. λ_возб = 405 нм. Для каждого образца указана длительность экспозиции (в долях секунды)

  В группе пиррол- и индолкарбоксилатов лантаноидов идентифицированы состояния переноса заряда (LMCT) 2p(O)-Eu³⁺, дающие основной вклад в тушение люминесценции. Избыточная электронная плотность, смещающаяся к иону Eu³⁺, обусловлена сопряжением параллельно ориентированных орбиталей неподелённой пары электронов атома азота и π-электронов ароматической системы пирролсодержащих лигандов. Понижение интенсивности люминесценции соединений европия до двух порядков величины и сокращение времени жизни электронного состояния ⁵D₀ (Eu³⁺) до пяти раз в интервале температур 77-295 К связаны с участием состояний LMCT в процессах диссипации энергии возбуждения в кристаллическую решётку. Величина энергии LMCT обусловливает канал тушения: “⁵D₀ → LMCT” или “синглет S₁ → LMCT”. Результаты работы позволяют снизить влияние факторов, уменьшающих квантовый выход люминесценции при разработке новых люминофоров.

  Публикации:
  
  • S.E. Korolenko, K.P. Zhuravlev, V.I. Tsaryuk, A.S. Kubasov, et al., Crystal structures, luminescence, and DFT study of mixed-ligand Zn(II) and Cd(II) complexes with phenyl-containing benzimidazole derivatives with linker C=N or N=N group, Journal of Luminescence 237 (2021) 118156
  • V.I. Tsaryuk, K.P. Zhuravlev, Peculiarities of the luminescence excitation of europium and terbium substituted benzoates, Journal of Luminescence 237 (2021) 118159
  • V.I. Tsaryuk, K.P. Zhuravlev, P. Gawryszewska, Processes of luminescence quenching in europium aromatic carboxylates with the participation of LMCT states: A brief review, Coordination Chemistry Reviews, 489 (2023) 215206

• В рамках работы был разработан и изготовлен такой прибор, измерены его характеристики, предложены пути дальнейшего улучшения его характеристик. В лаборатории был создан вакуумный плоский фотоэлемент для генерации СКИ. Генерация СКИ производится облаком фотоэлектронов в виде узкой полоски, возникающим над сетчатым анодом, перемещающимся вдоль анода со сверхсветовой фазовой скоростью плоским фронтом импульса лазерного излучения. Импульс длительностью 200 фс сосредоточен между двумя плоскими фронтами расстояние между которыми 60 мкм, которые падают на фотокатод под углом 45°, и пересекают фотокатод вдоль полоски шириной 90 мкм, которая движется вдоль поверхности фотокатода со скоростью с/sin45°>c. На изготовленном в лаборатории приборе была получена генерация СКИ при анодном напряжении 140 кВ, длительность импульса 0,1 нс, со спектром до 20 ГГц, амплитудой напряженности электрического поля Е=200 кВ/м и эффективностью преобразования энергии, запасённой на ёмкости катод - анод 8%.

  

  Готовый фотоэлемент на откачном посту

  Разработанный и изготовленный фотоэлемент позволяет провести исследование способов РЭБ во всех окнах прозрачности атмосферы с повышенной мощностью. Охлаждение анода позволяет получить среднюю мощность СКИ ЭМИ до 160 Вт, а модуляция вершины импульса трубчатыми жалюзи анода позволяет продлить спектр СКИ до 140 ГГц, перекрывающий окна прозрачности атмосферы миллиметрового диапазона.

  Публикации:
  
  • Potapov A. V., Zavolokov E. V., Kondrat’ev A. A., Pkhaiko N. A., Sorokin I. A., Goncharenko B. G., Luzanov V. A., Salov V. D. Generation of Ultrawideband Electromagnetic Radiation by a Vacuum Photodiode with Anode with a Sapphire Input Window // Technical Physics. — 2021. — Vol. 66, No. 3. P. 491–495.

Информация о лаборатории доступна также на сайте Фрязинского филиала ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН