19.02.2015
Одно из самых значимых изобретений ХХ века - лазер. Без него невозможно себе представить современную медицину, информационные технологии, промышленность, в том числе ракетно-космическую. Лазерные технологии настолько прочно вошли в нашу жизнь, что мы, не задумываясь, используем их, например, когда включаем проигрыватель CD и DVD дисков, лазерный принтер или подносим товар к считывателю штрих-кодов в супермаркете.
И только посвященные знают о том, что в Казанском университете, в лаборатории роста кристаллов, занимаются выращиванием «сердец» лазеров, причем очень давно: примерно с того самого времени, когда в 1960 году Теодор Майман продемонстрировал миру работу первого оптического квантового генератора (лазера). Интересно, что появление лазеров почти 100 лет назад, в 1916 году, предсказал Альберт Эйнштейн, изложив свою концепцию вынужденного излучения.
- В России, кроме нас, фторидные кристаллы, активированные как ионами редкоземельных элементов, так и ионами переходных металлов, которые используются в современных лазерах, выращивают в Новосибирском университете, Институте общей физики РАН и Государственном оптическом институте имени С.И. Вавилова в Санкт-Петербурге, - сообщил мне руководитель группы выращивания фторидных кристаллов Александр Наумов, когда я по воле случая оказалась в небольшом двухэтажном здании во дворе университета. - А в мире в настоящее время широко известны еще только три страны - Бразилия, Китай и Япония, которые выращивают подобные кристаллы.
- Их так сложно выращивать? - спрашиваю Александра Кондратьевича и вместо ответа получаю приглашение последовать за ним в лабораторию роста кристаллов. Воображение рисует тихую комнату, где над колбами и пробирками колдуют ученые. Вместо этого я попадаю в шумный мини-цех. Здесь моему взору предстают странные металлические конструкции - установки для выращивания кристаллов или, как их еще называют, ростовые печи.
- Фторидные кристаллы сложно выращивать потому, что они не любят кислорода, воды и ее паров. Из камеры, в которой установлен тигель с загруженной в него шихтой (смесью солей фторидов) откачивается воздух, вместо него закачиваются инертный и фторсодержащий газы, – объясняет мне технологию Александр Кондратьевич. – Например, 1-, 2- и 3 х- компонентные фторидные кристаллы, активированные ионами редкоземельных элементов и ионами переходных металлов, являются потенциальными лазерными средами для генерации излучения оптического диапазона. Такие кристаллы - сердце лазера. Наша лаборатория занимается преимущественно поиском новых активных сред для лазеров на основе кристаллов фторидов, в том числе с программируемыми свойствами, с целью получения активных лазерных материалов с новыми полезными функциями.
- Расскажите, пожалуйста, с какой целью в Казанском университете было начато выращивание кристаллов фторидов?
- Наша группа была организована в конце 50-х годов для обеспечения объектами для исследований (кристаллами) ученых, занимавшихся освоением метода электронного парамагнитного резонанса. Стоит отметить, что практически с момента основания группы работает у нас Стелла Леонидовна Кораблева. Она имеет огромный опыт и отлично знает технологию выращивания различных фторидных кристаллов. (Александр Кондратьевич подводит меня к обаятельной улыбчивой женщине).
- Свой опыт по выращиванию кристаллов мы передаем молодым с большим удовольствием, потому что они у нас очень толковые и схватывают все на лету, – замечает Стелла Леонидовна.
- О том, что Евгений Константинович Завойский в 1944 году в стенах Казанского университета открыл явление ЭПР, знают многие, но для чего физикам тогда потребовались именно кристаллы, да еще в большом количестве?
- До того как начать изучать сложные вещества, надо было отработать метод ЭПР на веществах с более простой структурой. Именно для этой цели потребовались кристаллы, которые представляли собой идеальную модель твердого тела. Возглавил исследования в области ЭПР тогда Семен Александрович Альтшулер, открывший впоследствии явление акустического резонанса, – поясняет Александр Кондратьевич.
- Сейчас вы обеспечиваете кристаллами только ученых КФУ или выполняете заказы исследователей из других городов России?
- В данный момент мы выполняем заказ Академии наук - выращиваем кристаллы, которые нужны ей для изучения проблем, связанных с созданием квантовых компьютеров. Часто к нам за помощью обращаются из других регионов России и иногда с предложениями серийного производства кристаллических элементов. Но, должен заметить, что для выращивания кристаллов в промышленных масштабах существуют соответствующие технологии, а мы выращиваем кристаллы только для научных целей. У нас всю работу делают студенты, аспиранты, научные сотрудники. Вот, пожалуйста, знакомьтесь, Михаил Марисов, кандидат физико-математических наук, преподаватель кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии. Он расскажет, как происходит выращивание кристаллов методом Бриджмена.
- Спасибо, очень интересно узнать, как рождаются кристаллы.
- В нагреватель установки для выращивания кристаллов помещается графитовый тигель, в котором и происходит образование фторидного кристалла, - рассказывает Михаил. - Для этого в тигель засыпается шихта, она содержит необходимую для каждого конкретного кристалла смесь солей фторидов в определенных пропорциях и вспомогательные реагенты, позволяющие связывать остатки кислородных соединений, остающиеся в атмосфере выращивания. Затем этот порошок доводится до расплавленного состояния. Температура нагрева в зависимости от конкретного кристалла, выбранного для выращивания, устанавливается в диапазоне 700 - 1500 градусов.
Затем тигель медленно, примерно по 1 миллиметру в час выводится из нагретой зоны, при этом часть расплава, выведенного из нее, начинает кристаллизоваться. Монокристалл диаметром от 6 до 10-12 мм растет, самое быстрое, – сутки, более сложные кристаллы - примерно неделю. Затем эти выращенные образцы кристаллов разрезаются и из них изготавливаются спектроскопические образцы и активные элементы прототипов лазеров, излучающих от ультрафиолетового до инфракрасного спектральных диапазонов.
- Вы используете и другие методы выращивания кристаллов? – говорю, обращаясь к Александру Кондратьевичу.
- Да. Кроме широко нами используемого метода направленной кристаллизации (метода Бриджмена), мы применяем метод Чохральского, а также недавно нами был освоен, разработанный японскими учеными в 1993 году, метод micro-pulling-done crystal growth (выращивание кристаллов методом микро-вытягивания вниз).
Вместе с моим аспирантом 3 года обучения Олегом Морозовым мы создали ростовую установку и наладили выращивание кристаллов этим методом, затратив на это чуть более полугода.
-Данный метод позволяет выращивать кристаллы в виде нитей – волокон и стержней диаметром от 0.5 до 2 мм, - Олег рассказывает и одновременно демонстрирует тонкие палочки кристаллов. - Такие кристаллы крайне востребованы в современной квантовой электронике. При этом для их выращивания требуется электроэнергия не более 200 Вт, и 3-4 часа для вытягивания образцов длиной 120 -150 мм, в то время как для выращивания другими методами необходимы киловатты электроэнергии и время от нескольких дней до недели.
- Вы умеете выращивать кристаллы заданной формы?
- Выращивание кристаллов заданной формы и цвета мы можем осуществлять путем применения специальных методов и активации кристаллов различными ионами редкоземельных элементов,- в разговор вступает Александр Ловчев, аспирант 3 года обучения Института физики. - В настоящее время активные элементы лазеров востребованы преимущественно в виде пластин, например для лазеров с диодной, поперечной накачкой. Если раньше выращенный кристалл представлял собой образец круглой формы в виде карандаша, который надо было пилить вдоль, то сейчас мы сразу можем вырастить элемент нужной формы. Причем формы образцов могут быть различными: в виде трубочки, треугольника, пластины. При этом их выращивание требует меньших технологических усилий, так как радиальный температурный градиент, имеющий место при выращивании образцов круглой формы, в этих случаях практически отсутствует. В общем, это технологично, современно и требует существенно меньших энергозатрат.
- Цвет кристалла имеет значение?
- Конечно. Он зависит от используемого иона активатора, а насыщенность цвета - от его концентрации. Все представленные здесь образцы (Александр показывает коллекцию кристаллов разных форм и цветов) активированы ионами редкоземельных элементов. Все они могут использоваться как активные среды лазеров. В зависимости от того, ионами какого химического элемента активирован кристалл, он будет иметь тот или иной спектр излучения. Допустим, необходимо, чтобы, исследуемое вещество, условно говоря, поглощало синее излучение, а генерировало в зеленом, то в него добавляются ионы Pr3+ в нужной концентрации.
- Александр, вы - молодой ученый, которому наверняка хочется совершить какое-то открытие, чтобы доказать себе и миру, что вы чего-то стоите.
- У физиков-лазерщиков есть такая шутка: как только получена генерация на каком-то новом кристалле, в «большой книжице» записывается имя первооткрывателя. Это, конечно, не Нобелевская премия, но вклад в историю. Хотелось бы найти какое-то новое вещество: матрицу, ионы активатора для нее и получить на этом веществе генерацию с длиной волны, полезной как для научных исследований, так и ее применения в практике. Найти новое рабочее вещество с таким качеством, это значит, найти новое применение лазера. Следовательно, это является шансом оставить след в истории.
- Желаем вам и всем университетским физикам-лазерщикам «наследить» в истории.
Спасибо. Подобные открытия у наших физиков уже есть.
- Пусть их будет больше.
О ГОДЕ СВЕТА
Генеральная Ассамблея Организации Объединенных Наций 20 декабря 2013 года официально объявила 2015 год Международным годом Света и Световых технологии (IYL2015). Проведение этого международного года стало возможным по инициативе большого количества научных организаций совместно с ЮНЕСКО. Данное партнерство работает с 2010 года, чтобы подготовить основу целой серии скоординированных мероприятий по всему миру в 2015 году. Объявив Международный год Света, Организация Объединенных Наций признала важность повышения информированности мировой общественности о том, как на основе световых технологии обеспечиваются решения глобальных проблем в области здравоохранения, энергетики, образования и сельского хозяйства, а также важность содействия карьере в науке изучающей свет и ее ответвлениях.
Программа Международного года света и световых технологий предусматривает проведение не только научных мероприятий. Цель организаторов – рассказать о возможностях световых технологий широкой общественности.
Источник информации: Лариса Бусиль, газета "Казанский университет"
Оригинал материала на сайте КФУ по ссылке: kpfu.ru/news/novosti-i-obyavleniya/serdce-lazera-sozdajut-v-kfu-113800.html
Ссылка на новость: sfedu.ru/news/49266