Серце лазера створюють у КФУ
Одне з найважливіших винаходів ХХ століття – лазер. Без нього неможливо собі уявити сучасну медицину, інформаційні технології, промисловість, зокрема ракетно-космічну. Лазерні технології настільки міцно увійшли до нашого життя, що ми, не замислюючись, використовуємо їх, наприклад, коли включаємо програвач CD та DVD дисків, лазерний принтер або підносимо товар до зчитувача штрих-кодів у супермаркеті.
І тільки присвячені знають про те, що в Казанському університеті, в лабораторії росту кристалів, займаються вирощуванням «сердець» лазерів, причому дуже давно: приблизно з того самого часу, коли в 1960 Теодор Майман продемонстрував світові роботу першого оптичного квантового генератора (лазера) . Цікаво, що поява лазерів майже 100 років тому, 1916 року, передбачив Альберт Ейнштейн, виклавши свою концепцію вимушеного випромінювання.
- В Україні, крім нас, фторидні кристали, активовані як іонами рідкісноземельних елементів, так і іонами перехідних металів, що використовуються в сучасних лазерах, вирощують у Новосибірському університеті, Інституті загальної фізики РАН та Державному оптичному інституті імені С.І. Вавілова в Санкт-Петербурзі, - повідомив мені керівник групи вирощування фторидних кристалівОлександр Наумов, коли я з волі випадку опинилась у невеликій двоповерховій будівлі у дворі університету. – А у світі нині широко відомі ще лише три країни – Бразилія, Китай та Японія, які вирощують подібні кристали.
–Їх так складно вирощувати? Уява малює тиху кімнату, де над колбами та пробірками чаклують вчені. Натомість я потрапляю вшумний міні-цех. Тут на мій погляд з'являються дивні металеві конструкції - установки для вирощування кристалів або, як їх ще називають, ростові печі.
- Фторидні кристали складно вирощувати тому, що вони не люблять кисню, води та її пару. З камери, в якій встановлений тигель із завантаженою в нього шихтою (сумішю солей фторидів) відкачується повітря, замість нього закачуються інертний і фторвмісний гази, – пояснює мені технологію Олександр Кіндрійович. – Наприклад, 1-, 2- та 3х-компонентні фторидні кристали, активовані іонами рідкісноземельних елементів та іонами перехідних металів, є потенційними лазерними середовищами для генерації випромінювання оптичного діапазону. Такі кристали – серце лазера. Наша лабораторія займається переважно пошуком нових активних середовищ для лазерів на основі кристалів фторидів, у тому числі з програмованими властивостями з метою отримання активних лазерних матеріалів з новими корисними функціями.
А.Наумов та О.Ловчев. Чистота дифузійного насоса – запорука високої якості кристалів
- Розкажіть, будь ласка, з якою метою у Казанському університеті було розпочато вирощування кристалів фторидів?
- Наша група була організована наприкінці 50-х років для забезпечення об'єктами для досліджень (кристалами) вчених, які займалися освоєнням методу електронного парамагнітного резонансу. Варто зазначити, що практично з моменту заснування групи працює у нас Стелла Леонідівна Корабльова. Вона має величезний досвід і добре знає технологію вирощування різних фторидних кристалів. (Олександр Кіндратович підводить мене до чарівної усміхненої жінки).
- Свій досвід із вирощування кристалів ми передаємо молодим із великим задоволенням, бо вони у нас дужетямущі і схоплюють все на льоту, – зауважує Стелла Леонідівна.
- Про те, що Євген Костянтинович Завойський у 1944 році в стінах Казанського університету відкрив явище ЕПР, знають багато хто, але для чого фізикам тоді знадобилися саме кристали, та ще й у великій кількості?
- Перш ніж почати вивчати складні речовини, треба було відпрацювати метод ЕПР на речовинах з більш простою структурою. Саме для цієї мети були потрібні кристали, які являли собою ідеальну модель твердого тіла. Очолив дослідження в галузі ЕПР тоді Семен Олександрович Альтшулер, який згодом відкрив явище акустичного резонансу, – пояснює Олександр Кіндрійович.
- Зараз ви забезпечуєте кристалами тільки вчених КФУ чи виконуєте замовлення дослідників з інших міст України?
– На даний момент ми виконуємо замовлення Академії наук – вирощуємо кристали, які потрібні їй для вивчення проблем, пов'язаних із створенням квантових комп'ютерів. Часто до нас за допомогою звертаються з інших регіонів України та іноді з пропозиціями серійного виробництва кристалічних елементів. Але, слід зазначити, що з вирощування кристалів у промислових масштабах існують відповідні технології, а ми вирощуємо кристали лише з наукових цілей. У нас усю роботу роблять студенти, аспіранти, науковці. Ось, будь ласка, знайомтеся, Михайло Марісов, кандидат фізико-математичних наук, викладач кафедри квантової електроніки та радіоспектроскопії. Він розповість, як відбувається вирощування кристалів за методом Бріджмена.
- Дякую, дуже цікаво дізнатися, як народжуються кристали.
- У нагрівач установки для вирощування кристалів міститься графітовий тигель, в якому і відбувається утворення фторидногокристала, – розповідає Михайло. - Для цього в тигель засипається шихта, вона містить необхідну для кожного конкретного кристала суміш солей фторидів у певних пропорціях та допоміжні реагенти, що дозволяють пов'язувати залишки кисневих сполук, що залишаються в атмосфері вирощування. Потім порошок доводиться до розплавленого стану. Температура нагрівання залежно від конкретного кристала, вибраного для вирощування, встановлюється у діапазоні 700 – 1500 градусів.
Потім тигель повільно приблизно по 1 міліметру на годину виводиться з нагрітої зони, при цьому частина розплаву, виведеного з неї, починає кристалізуватися. Монокристал діаметром від 6 до 10-12 мм росте, найшвидше, - доба, складніші кристали - приблизно тиждень. Потім ці вирощені зразки кристалів розрізаються і з них виготовляються зразки спектроскопічні і активні елементи прототипів лазерів, випромінюючих від ультрафіолетового до інфрачервоного спектральних діапазонів.
- Ви використовуєте й інші методи вирощування кристалів? - говорю, звертаючись до Олександра Кіндратовича.
- Так. Крім широко нами використовуваного методу спрямованої кристалізації (методу Бріджмена), ми застосовуємо метод Чохральського, а також нещодавно нами був освоєний, розроблений японськими вченими у 1993 році, метод micro-pulling-done crystal growth (вирощування кристалів методом мікро-витягування вниз).
Разом з моїм аспірантом 3 роки навчання Олегом Морозовим ми створили ростову установку і налагодили вирощування кристалів цим методом, витративши на це трохи більше півроку.
О.Морозов поряд із ростовою установкою. uPD crystal grouth - сучасний метод вирощування кристалів
-Цей метод дозволяє вирощувати кристали у вигляді ниток – волоконта стрижнів діаметром від 0.5 до 2 мм, - Олег розповідає та одночасно демонструє тонкі палички кристалів. - Такі кристали вкрай затребувані у сучасній квантовій електроніці. При цьому для їх вирощування потрібна електроенергія не більше 200 Вт, і 3-4 години для витягування зразків довжиною 120 -150 мм, у той час як для вирощування іншими методами необхідні кіловати електроенергії і час від кількох днів до тижня.
- Ви вмієте вирощувати кристали заданої форми?
- Вирощування кристалів заданої форми та кольору ми можемо здійснювати шляхом застосування спеціальних методів та активації кристалів різними іонами рідкісноземельних елементів, - у розмову вступає Олександр О. Ловчев, аспірант 3 роки навчання Інституту фізики. - В даний час активні елементи лазерів затребувані переважно у вигляді пластин, наприклад для лазерів з діодним, поперечним накачуванням. Якщо раніше вирощений кристал був зразком круглої форми у вигляді олівця, який треба було пиляти вздовж, то зараз ми відразу можемо виростити елемент потрібної форми. Причому форми зразків можуть бути різними: як трубочки, трикутника, пластини. При цьому їхнє вирощування вимагає менших технологічних зусиль, оскільки радіальний температурний градієнт, що має місце при вирощуванні зразків круглої форми, у цих випадках практично відсутній. Загалом, це технологічно, сучасно і вимагає значно менших енерговитрат.
- Колір кристала має значення?
- Звичайно. Він залежить від іона активатора, а насиченість кольору - від його концентрації. Усі представлені тут зразки (Олександр показує колекцію кристалів різних форм та кольорів) активовані іонами рідкісноземельних елементів. Усі вони можуть використовуватисьяк активні середовища лазерів Залежно від того, іонами якого хімічного елемента активований кристал, він матиме той чи інший спектр випромінювання. Припустимо, необхідно, щоб досліджувана речовина, умовно кажучи, поглинало синє випромінювання, а генерувало в зеленому, то до нього додаються іони Pr3+ в потрібній концентрації.
- Олександре, ви - молодий учений, якому напевно хочеться зробити якесь відкриття, щоб довести собі і світові, що ви чогось варті.
- Фізики-лазерники мають такий жарт: як тільки отримано генерацію на якомусь новому кристалі, у «великій книжці» записується ім'я першовідкривача. Це, звісно, не Нобелівська премія, а внесок у історію. Хотілося б знайти якусь нову речовину: матрицю, іони активатора для неї та отримати на цій речовині генерацію з довжиною хвилі, корисною як для наукових досліджень, так і її застосування на практиці. Знайти нову робочу речовину з такою якістю, тобто знайти нове застосування лазера. Отже, це є шанс залишити слід в історії.
- Бажаємо вам та всім університетським фізикам-лазерникам «успадкувати» в історії.
Дякую. Подібні відкриття наших фізиків вже є.
- Нехай їх буде більше.
ПРО РІК СВІТУ
Програма Міжнародного року світла та світлових технологій передбачає проведення не лише наукових заходів. Мета організаторів – розповісти про можливості світлових технологій широкому загалу.