Работа коллектива авторов, в числе которых значится мой собеседник, участвует в конкурсе на соискание Государственной премии Республики Беларусь в области науки и техники 2008 года. Серия исследований посвящена изучению перспективных лазерных кристаллов — александрита, форстерита, сапфира, магниевой шпинели, активированных ионами переходной группы железа, а также ряда ванадатов редких земель, активированных ионами редкоземельных металлов. Их результатом стало решение целого комплекса вопросов по разработке технологии выращивания кристаллов и внедрению ее в промышленное производство.
О трудностях роста
Ростовая установка с индукционным нагревом создает в тигле температуру от 1800 до 2200 градусов Цельсия. Колебания даже в две десятых градуса недопустимы: могут превратить продукцию в красивый, но не годный для лазеров камешек. На вращающемся штоке в расплав опускается затравка. Через 4—10 суток кристалл будет готов. Годится ли он для того, чтобы стать “сердцем” лазера — другой вопрос: к чистоте таких кристаллов предъявляются особые требования. Если для определенного лазера нужна концентрация ионов хрома в кристалле 0,1 процента, то 0,15 процента ионов хрома — это уже брак. Поэтому каждый камешек будет опилен, изучен при помощи спектрофотометра, опробован на лазерной установке.
В мировой практике считается нормальным, если 60 процентов полученных кристаллов выбраковываются. Белорусская технология позволяет снизить процент брака до 10—20 в зависимости от кристалла.
— Качество кристалла при выращивании методом Чохральского зависит от формы границы между растущим кристаллом и расплавом, так называемого фронта кристаллизации, — объяснил Владимир Матросов. — На протяжении всего процесса роста фронт кристаллизации много раз меняет свою форму — от выпуклой, плоской до вогнутой. Вместе с ним изменяется мгновенная скорость кристаллизации, коэффициент распределения примесей и их концентрация. Кристалл растет полосчатым, а это может привести к плохому качеству лазерного пятна.
Сложность проблемы поддержания фронта кристаллизации близким к плоскому — в отсутствии датчика, который мог бы контролировать эту форму и управлять ею на протяжении всего процесса выращивания. Владимиру Матросову и соавторам удалось эту задачу решить и найти алгоритм программы управления, позволяющий поддерживать фронт кристаллизации близким к плоскому.
— Самое сложное в этой науке — изучить дефекты, понять причину их возникновения и найти методы, чтобы устранить, — резюмирует Владимир Матросов.
Невидимые грани кристалла
Один из самых перспективных лазерных кристаллов — александрит, активированный хромом. Впервые он получен Владимиром Матросовым и соавторами.
На кристаллах александрита работают лазеры, широко применяемые в медицине. Благодаря им стали возможны бескровные операции и сложнейшие манипуляции с открытым сердцем и головным мозгом. Александрит входит в состав технологических лазеров, без работы которых немыслимо современное машино- или ракетостроение.
В наши дни широкое распространение получили лазеры, излучение которых безопасно для глаз (длина волны 1,54 мкм). Они применяются в различных дальномерах, системах автоматической посадки самолета и иной спецтехнике. Очень важным элементом такого лазера является модулятор частоты — затвор. Белорусские ученые пришли к выводу, что самым перспективным затвором является магниевая шпинель, активированная кобальтом.
Шпинель задала ученым загадку: плавится она при температуре 2140 градусов. Единственным материалом, пригодным для тигля, является иридий, температура плавления которого всего на 300 градусов выше. Чтобы избежать проплавлений тигля, пришлось разработать технологию получения кристаллов при более низких градиентах температуры.
— Года четыре назад пять европейских государств объявили тендер на поставку лазерных элементов для терраваттного усилителя, — рассказывает Владимир Матросов. — Усилитель представлял собой лазер, состоящий из трех ступеней усиления, за счет которых в лазерном пучке создавалась температура 2 миллиона градусов. Это дает возможность заниматься термоядерным синтезом в лабораторных условиях, то есть без взрывов. Тендер тогда выиграли мы. Усилитель работает на белорусских кристаллах.
Надо заметить, на белорусских кристаллах работают лазеры всего мира: Японии и Америки, всех европейских стран и Африки. Хотя в производстве лазеров Беларусь пока отстает от развитых стран, во многих зарубежных установках работает белорусское “сердце”.
Но не только этим по праву гордятся авторы выдвинутого на Госпремию проекта.
— Мы, не взяв у государства ни рубля, разработали технологию производства лазерных кристаллов и внедрили ее в производство. Если, используя наши технологии, придать производству государственный масштаб, Беларусь уверенно займет место мирового производителя лазерных кристаллов.
