Статьи

Методы оптики и фотоники широко применяются в различных областях – в обработке материалов при помощи света и лазеров, связи, медицине, для передачи, обработки и хранения информации. Чтобы обрести технологическую независимость в этих сферах, в России создаются импортозамещающие продукты и технологии.

Основное внимание здесь уделяется разработке отечественных оптических материалов: кристаллов, стёкол, керамик, стеклокерамик, которые лежат в основе создания любого оптического прибора и устройства.

Так, например, разработкой новых квантовых материалов и фотонных устройств на их основе занимаются в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики (Университете ИТМО) при поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы».

«Мы проводим поисковые и прикладные исследования по созданию оптических материалов нового поколения, которые обладают уникальными характеристиками и работают в видимом и инфракрасном диапазонах, разрабатываем технологии их синтеза.

На основе этих материалов ведём конструкторские работы по созданию элементной базы оптических и фотонных устройств, включающей лазерные источники и фотоприёмники излучения, а также «начинку», которая располагается между ними – модуляторы, фильтры, мультиплексоры, селекторы, переключатели», – рассказывает руководитель проекта, заведующий кафедрой оптоинформационных технологий и материалов Университета ИТМО, доктор физико-математических наук, профессор Николай Никоноров.

Коллектив разработчиков легирует материалы (стёкла, кристаллы, керамики и стеклокерамики) ионами редких земель, молекулярными кластерами, квантовыми точками, квантовыми ямами, наночастицами и нанокристаллами. При этом состав, размер и форма нанообъектов в материале формируют его уникальные характеристики (например, квантово-размерные эффекты, спектральное положение экситонного поглощения и плазмонного резонанса).

Так, например, для нанообъектов, размер которых намного меньше длины волны взаимодействующего с ним излучения, наблюдаются квантование энергии носителей заряда, движение которых ограничено в одном, двух или трёх направлениях.

«Технология такова: мы синтезируем специально активированные стеклообразные матрицы (силикатные, фосфатные, фторидные, боратные, гермататные и т.д.) при температурах 1000 – 1600 градусов и дальше воздействуем на них двумя способами.

Первый – это фемтосекундное или пикосекундное лазерное облучение, в результате которого внутри стекла вырастают молекулярные кластеры – некие устойчивые образования с числом нейтральных атомов от единиц до нескольких десятков, – пояснил Николай Никоноров. – Второй – термообработка в широком температурном диапазоне – от 200 до 600 градусов.

В результате этого число атомов растёт, и они уже образуют квантовые точки размером 1–5 нм, потом наночастицы размером 5–10 нм, а дальше нанокристаллы размером 10–50 нм».

На первом этапе проекта коллектив из Университета ИТМО разработал материалы, которые были активированы редкоземельными ионами и ионами переходных металлов – их добавляли на стадии синтеза. А на стадии термообработки в объёме материала последовательно выращивались квантовые точки, наночастицы и нанокристаллы.

Причём ионы редких земель (неодим, эрбий, иттербий) и переходных металлов (хром) из стеклообразной матрицы переходили в кристаллическую фазу.

Таким образом формировался стеклокристаллический материал (его часто называют наностеклокерамикой), который объединял в себе лучшие эксплуатационные свойства стекла (то есть, из него можно вытягивать оптическое волокно, использовать технологии напыления и прессования) с лучшими характеристиками кристалла (высокая прочность, теплопроводность и квантовый выход люминесценции).

«Мы также научились не только управлять  концентрацией наночастиц и нанокристаллов, но и влиять на их форму и ориентацию. Наночастица или нанокристалл могут быть по форме сферическими, эллипсоидальными, сфероидальными или даже кубическими и коническими. В последнем случае они способны поглощать свет в разных областях спектра.

Нам удалось сделать цветные надписи и рисунки в объёме стекла не кисточкой и краской или каким-то химическим способом, а только лазерным излучением и термообработкой, управляя концентрацией и формой наночастиц.

И это всё происходит не на поверхности стекла, а в его объёме, – поделился одной из разработок руководитель проекта. – То есть появляется интересная возможность раскрашивания объёма стекла или получение цветного объёмного изображения или 3D-фотографии. Однако основное применение таких материалов и технологий – это запись информации».

Есть и другие, не менее интересные, разработки. Исследователи также научились управлять преломлением света в фототерморефрактивных стёклах.

«Мы разработали новый класс фоточувствительных материалов – фототерморефрактивные стёкла. На основе этих стёкол мы можем делать градиентные линзы или записывать высокоэффективные объёмные брэгговские решётки – фазовые голограммы, которые многократно повышают эффективность работы лазерной техники и систем.

К примеру, у полупроводниковых лазеров очень широкий спектр излучения (10 нанометров), и он в зависимости от температуры “плавает” (так называют температурный дрейф длины волны излучения).

Если же сделать голограмму на фототерморефрактивном стекле и вставить её в резонатор полупроводникового лазера, то ширина полосы излучения будет значительно уменьшена (до 5 пикометров), а также будет повышена спектральная яркость излучения и температурная стабильность  длины волны», – сказал Николай Никоноров.

Разработка фототерморефрактивного стекла, активированного редкоземельными ионами (неодим, иттербий, эрбий) – одна из задач, решаемых в проекте. На этом стекле планируется создание нескольких типов брэгговских голографических решёток для спектральных мультиплексоров, сумматоров лазерных пучков, сверхузкополосных спектральных фильтров, пространственных селекторов лазерного излучения, лазеров на микрочипах с распределённой обратной связью.

Индустриальный партнёр Университета ИТМО, ОАО «Центральный научно-исследовательский институт «Циклон», софинансирует все стадии проекта – от разработки новых материалов до создания на их основе лабораторных опытных образцов оптических элементов и устройств, работающих в видимом и инфракрасном диапазонах.

В проекте есть и другие участники. Группа исследователей Сколковского института науки и технологий (Сколтех) под руководством профессора Ильдара Габитова создаёт новые материалы и опытные образцы инфракрасных фотоприёмных устройств на основе модного сейчас графена.

«Учёные Новосибирского национального исследовательского государственного университета (НГУ) тоже сориентированы на графен, но в отличие от «Сколтеха» они пытаются ввести графен в стекло и тянуть оптическое волокно. На основе этих гибридных материалов планируется создание высокоэффективных поглотителей для лазерных систем», – уточнил руководитель проекта.

На третьем его этапе по рекомендации индустриального партнёра введён ещё один соисполнитель, компания «Светлана–Рост», которая будет заниматься технологической разработкой фотоприёмных матриц для диапазона 5–6 микрон и 8–12 микрон. В этих разработках крайне заинтересован «Циклон».

«Консорциум участников проекта задействован во всей технологической цепочке – разработке источников излучения (лазеров), элементной базы (мультиплексоры, модуляторы, поглотители, селекторы и т.д.) и фотоприёмников излучения», – резюмирует Николай Никоноров.

В результате создания участниками проекта новых квантовых материалов и фотонных устройств на их основе появится возможность полного комплектования отечественным оборудованием критических узлов инфракрасной оптоэлектроники, проводных и беспроводных оптических линий связи.