Материалы для нелинейной оптики
Более 30 лет назад в ИПФ был создан коллектив ученых и технологов под руководством В. И. Кацмана и В. И. Беспалова, одним из результатов работы которого стала уникальная лабораторная методика изготовления широкоапертурных нелинейных оптических элементов из водорастворимых кристаллов (KDP, α-LiIO3 и их дейтерированных изоморфов), включающая скоростное выращивание профилированных кристаллов большой апертуры и их прецизионную обработку методом алмазного микрофрезерования. В настоящее время работой отдела руководит В. В. Ложкарев.
В последнее время интерес к этой технологии особенно вырос в связи с созданием новых поколений лазеров с высокой импульсной энергией, лазеров со сверхвысокой пиковой мощностью и лазеров со сверхкороткой длительностью импульсов, включая:
- мегаджоульные лазерные комплексы для термоядерной и гибридной энергетики, состоящие из большого числа лазерных каналов с импульсной энергией 1–10 кДж (США, Франция, Великобритания, Япония, Китай, Россия);
- мультитераваттные и петаваттные лазеры для перспективных медицинских и исследовательских применений;
- фемтосекундные лазерные комплексы для технологических, медицинских и исследовательских приложений.
Строительство гигантских мегаджоульных лазерных комплексов для лазерного термоядерного синтеза сейчас ведут США (установка «National Ignition Facility»), Франция (установка «Megajoule»), Япония (установка «Gekko») и другие страны. В России с 2012 года в РФЯЦ-ВНИИЭФ реализуется проект «УФЛ-2М». Каждая из установок такого класса включает несколько сотен элементов из нелинейно-оптических кристаллов KDP апертурой 40×40 см. В ИПФ РАН заложены физические основы и разработана методика выращивания крупногабаритных кристаллов типа KDP со скоростью роста, в десятки раз превышающей скорость, обеспечиваемую традиционной технологией (в настоящее время скорость роста – до 2 см в сутки).
Методика позволяет выращивать моносекториальные кристаллические заготовки необходимой ориентации, что делает производство практически безотходным, а кристаллы – высокого оптического качества. Сочетание свойств этого кристаллического материала выводит его в ряд наиболее труднообрабатываемых. Кристалл KDP относится к мягким и чрезвычайно хрупким материалам (проигрывает стеклам в хрупкости и образовании трещин) с большим температурным коэффициентом расширения и низкой теплопроводностью. Он гигроскопичен и обладает выраженной анизотропией тензора механической упругости. Для оптической обработки элементов KDP применяется метод сухого алмазного микрофрезерования поверхности заготовки алмазным резцом, закрепленным на вращающемся шпинделе ультрапрецизионного станка.
Кристаллы группы KDP используются также при создании лазерных комплексов со сверхвысокой пиковой мощностью для параметрического усиления импульсов и являются ключевыми оптическими компонентами для достижения рекордного на сегодняшний день мультипетаваттного уровня мощности. Соответствующие проекты реализуются сейчас в Европе (VULCAN 10 PW, ELI) и в России (PEARL-10, ИПФ РАН). Нелинейно-оптические элементы из кристаллов DKDP высокого оптического качества (производство ИПФ РАН) используются как параметрические усилители широкополосного излучения фемтосекундных лазеров, генераторы второй гармоники накачки, фазовращающие пластины и двулучепреломляющие клинья.
Особую актуальность приобрели исследования, направленные на улучшение временного контраста выходного излучения фемтосекундных лазерных комплексов петаваттного уровня. Ультратонкие широкоапертурные элементы преобразования частоты и повышения контраста лазерных импульсов из кристалла KDP востребованы во всех фемтосекундных лазерных комплексах мультитераваттного уровня мощности, которых сейчас насчитывается несколько десятков во всем мире.
Здесь на первый план выступает задача прецизионной обработки кристаллов для получения элементов с огромной разницей геометрических размеров (аспектное соотношение 200:1 и более), что требует развития специальной технологии.
В последнее время повышенным спросом на международном рынке лазерных элементов пользуются высокодейтерированные кристаллы KDP для производства электрооптических затворов лазеров с высокой средней мощностью. В результате проведенных исследований в ИПФ была разработана методика скоростного роста этих кристаллов со степенью дейтерирования более 97%, обладающих низким уровнем поглощения на длине волны 1054 нм.
