На заводе «Оптик» освоили выращивание нового вида кристаллов, являющегося уникальным лазерным материалом
Кристалл – «сердце» твердотельного лазера
Особенно запомнилось, как это чудо, длиной около 7-8 сантиметров, положили мне на ладонь. Я, конечно, ожидала, что кристалл имеет вес. Ну, примерно такой, как если бы был из стекла. Но он неожиданно оттянул ладонь вниз, будто на нее положили увесистый стальной грузик. Ощущения меня не обманули. Плотность кристалла (7,27 грамма в 1 см³) примерно такая, как у стали (7,85 грамма в 1 см³). У стекла же плотность втрое меньше – всего 2,2.
Но, понятно, выращивают эти кристаллы не для того, чтобы ими удивлять или любоваться. Кристаллы калий-гадолиниевого вольфрамата, активированные неодимом, производятся на заводе «Оптик» давно, более 30 лет, постоянно пользуются спросом (в Беларуси, России, Литве) и применяются в производстве лазеров. Если кто подзабыл, лазер – это устройство, которое преобразует различные виды энергии (световую, тепловую, химическую и другие) в энергию узконаправленного светового потока. Главной составляющей – «сердцем» лазера – является активный элемент, в котором и генерируется лазерное излучение. В качестве активного элемента могут выступать разные вещества в различных состояниях – газообразном, жидком, твердом. Для изготовления твердого активного элемента лазера часто используют именно кристаллы, в том числе калий-гадолиниевого вольфрамата, активированные неодимом.
Монокристалл калий-гадолиниевого вольфрамата, активированный неодимом. На «Оптике» его выпускают более 30 лет.
А недавно с завода «Оптик» пришла новость: там освоили выпуск еще одного вида кристаллов – тоже для лазеров. Я вооружилась фотоаппаратом и отправилась на завод, предварительно договорившись о встрече с ведущим инженером-технологом отдела оптических сред Светланой Карпенко, курирующей производство кристаллов.
Дорогая коллекция
И вот я снова на этом участке. Знакомый интерьер с рядами установок по выращиванию кристаллов. В каждой из установок единовременно, в течение 17-18 суток, может выращиваться только один монокристалл. Пока это происходит, открывать установку нельзя. Но на участке имеются уже выращенные кристаллы. Светлана Карпенко ставит на стол коробку, в которой они лежат – каждый по отдельности аккуратно завернут в мягкую ткань (и каждый стоимостью около 1-2 тысяч долларов). Когда кристаллы развернули, я снова не могла скрыть восхищения.
Вот монокристалл калий-гадолиниевого вольфрамата, активированный неодимом. Я сразу узнала его по фиолетовым переливам. Рядом Светлана Карпенко положила еще несколько кристаллов – почти бесцветных, лишь слегка отсвечивавших нежным голубовато-бирюзовым цветом. Это и был новый вид продукции – монокристаллы калий-иттриевого вольфрамата, активированные ионами иттербия. Эти кристаллы – уникальный лазерный материал. Для их производства на участке используются те же самые стандартные установки по выращиванию кристаллов. И технология та же – по методу Чохральского. Но формула шихты, из которой кристаллизуется это чудо, иная. И расчет формулы иной. Почему их решили выращивать?
Монокристалл калий-иттриевого вольфрамата, активированный иттербием. Эта новинка является уникальным лазерным материалом.
Год назад на завод «Оптик» обратилась фирма из Литвы с предложением: не могли бы лидчане попробовать вырастить кристаллы калий-иттриевого вольфрамата, активированные ионами иттербия? Заказ обещал быть выгодным. И, в принципе, рассудили на заводе, их потом можно реализовывать и на других рынках. В общем, решили попробовать – и получилось. А то, что получилось, теперь лежало передо мной.
Чудо на кончике кристаллодержателя
Если сами кристаллы так и хочется сравнить с чудом, то, соответственно, и профессия тех, кто их выращивает, тоже воспринимается как не совсем обычная.
Установки, в которых выращиваются кристаллы, представляют собой прямоугольные камеры с герметично закрывающимися дверцами и круглыми окошками-иллюминаторами. За их работой следят 4 опытных оператора по выращиванию кристаллов. Они работают поочередно, по сменам. В эту смену хозяйкой на участке была оператор Светлана Буйницкая. На заводе «Оптик» она уже 30 лет. Светлана Васильевна пришла сюда после Лидского техникума, который закончила по специальности «Технологическая обработка оптических деталей», работала на инженерных должностях, мастером. И вот уже 10 лет занимается выращиванием кристаллов.
Светлана Буйницкая пояснила, как выращивается кристалл. Сначала оператор закладывает в установку шихтовые материалы (в соответствии с химическим составом будущего кристалла), потом включает прогрев. Получается расплав. Когда его температура достигает требуемого уровня, в камеру опускается кристаллодержатель (стержень, на конце которого крепится затравка – небольшой кусочек такого же кристалла, который планируется вырастить). Затравка должна касаться поверхности расплава. Потом оператор дает термический толчок (резко снижает температуру), и расплав в месте соприкосновения с затравкой начинает кристаллизоваться. То есть на затравку начинает нарастать кристалл.
Все это время температура расплава (по определенной программе и с определенной скоростью) снижается, а кристаллодержатель, по мере роста кристалла, поднимается. Он поднимается на 4-4,5 мм в сутки – с такой скоростью растет в длину кристалл.
Оператор может вырастить кристалл любой заданной длины – смотря на какие детали придется его резать. Самый крупный выращенный здесь, на участке, монокристалл достигал длины 10,5 см.
Программу роста кристалла оператор задает по компьютеру. А потом следит, чтобы установка работала в соответствии с заданным режимом. Когда кристалл вырос, температуру внутри установки надо остудить до комнатной. Оператор следит, чтобы снижение происходило строго с определенной скоростью. Если вдруг произойдет резкий (на 100° С и больше) перепад температуры, кристалл не выдержит и… рассыплется.
И вот температура внутри и снаружи установки уравновешена, и из нее достают кристаллодержатель с наращенным на конце монокристаллом. Кстати, в тот момент, когда мы с ведущим инженером-технологом заходили на участок по выращиванию кристаллов, оператор Светлана Буйницкая как раз была сосредоточена на необычном (с моей точки зрения) занятии. Она миниатюрным лобзиком отпиливала от кристаллодержателя красивый, довольно крупный монокристалл фиолетового цвета. Вскоре он уже лежал отдельно на столе под объективом фотоаппарата.
Но каким бы совершенным ни был кристалл, к заказчику в таком виде он не пойдет. Сначала на заводе «Оптик» его разрежут на детали определенных параметров (стержни, пластины и т. д.), потом их отшлифуют, отполируют, нанесут просветляющее покрытие. Теперь оптическая деталь готова – это и есть активный элемент лазера. Именно в таком виде, но уже на другом предприятии, она будет вставлена в прибор.
Новинку уже испытывают
В завершение я поинтересовалась: почему у кристаллов такие длинные мудреные названия и что в данном случае означает «активированный»? Ведущий инженер-технолог Светлана Карпенко напомнила мне, что строение кристалла представляет собой строгую кристаллическую решетку. При этом кристалл, используемый для лазера, обязательно должен содержать ионы-активаторы (они-то и генерируют лазерное излучение). Активаторы в виде небольших добавок другого вещества (в объеме до 5%) вводятся в основной состав. Они встраиваются в решетку и придают кристаллу необходимые свойства. «Так, наши новые кристаллы калий-иттриевого вольфрамата, – привела пример Светлана Александровна, – активированы иттербием в объеме 5 процентов. А сиренево-фиолетовые кристаллы калий-гадолиниевого вольфрамата активированы неодимом в объеме 3 процента. Но мы выращиваем кристаллы и с 5 процентами неодима. Такие кристаллы получаются более интенсивного цвета. Именно неодим и придает им сине-фиолетовый оттенок. Выращивали мы и чистый калий-гадолиниевый вольфрамат, без добавок. Получался абсолютно прозрачный бесцветный кристалл. Кстати, у нас есть образец». Вскоре этот образец, прозрачный, как слеза, лежал передо мной на столе. Да, было что сравнивать и чем любоваться.
Совершенно бесцветный кристалл калий-гадолиниевого вольфрамата без активаторов.
В общем, для разных видов твердотельных лазеров требуются разные кристаллы. И завод «Оптик», благодаря наличию опытных кадров, как видим, готов расширять их ассортимент. Что же касается новой продукции – монокристаллов калий-иттриевого вольфрамата, активированного иттербием, – то первые ее образцы уже покинули предприятие и проходят испытания в литовской фирме, демонстрируются на выставках.
Источник
Глава 17. Разработка элементов твердотельных лазеров на основе активных и нелинейных диэлектрических кристаллов
В. М. Гармаш, Г. М. Зверев, А. В. Шестаков
Шестаков Александр Валентинович
Шестаков Александр Валентинович.
Окончил в 1977 г. Московский физико-технический институт, а в 1980 г. аспирантуру этого института, защитив диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.
С 1980 г. работает в НИИ «Полюс» и является начальником научно-производственного комплекса, включающего производственные участки по изготовлению элементной базы твердотельных лазеров: по выращиванию кристаллов, оптико-механической обработке оптических и керамических изделий, а также лаборатории по разработке твердотельных лазеров, спектроскопии и конструированию лазерной техники.
Лауреат премии Ленинского комсомола.
Работы по диэлектрическим монокристаллам для квантовой электроники начались еще до основания НИИ «Полюс» в коллективах, которые позже вошли в состав института. В отделе 13 ОКБ НИИ-311 на Щербаковке уже в 1958 г. методом Вернейля выращивались монокристаллы рубина для квантовых парамагнитных усилителей. Эти работы были начаты по инициативе академика, будущего Нобелевского лауреата А.М. Прохорова. Руководил работой по кристаллам начальник отдела А.С. Бебчук, у него работали Р.П. Башук, И.В. Балакаев, П.А. Цейтлин, И.Н. Циглер. Позже появились молодые сотрудники А.П. Виноградов, В.Л. Фарштендикер.
Усилиями этого коллектива в контакте с Институтом кристаллографии впервые в СССР была решена проблема выращивания и термообработки крупных (длиной до 250 мм) кристаллов рубина. В 1961 г. здесь были выращены первые кристаллы рубина, из которых изготовлены элементы для лазеров. Уже осенью 1962 г. первый рубиновый лазер был продемонстрирован руководству отрасли.
Нелинейные кристаллы KDP и ADP выращивали в НИИ пьезотехники, в отделе водорастворимых кристаллов под руководством И.С. Реза (М.Ф. Колдобская, А.С. Сонин, В.И. Пахомов, Р.Д. Зайцева, Л.И. Кузнецова, В.И. Попова, А.А. Филимонов), размещавшемся в подвале жилого дома на Таганке. И.С. Рез начал работать над водорастворимыми кристаллами сразу после войны в Центральной научно-исследовательской лаборатории пьезотехники, возглавляемой академиком А.В. Шубниковым. Он участвовал в создании первых отечественных звукоснимателей, телефонов, микрофонов, шумомеров на пьезокристаллах. Впоследствии его отдел подключился к работам по лазерной технике. Вместе с учеными МГУ Р.В. Хохловым, С.А. Ахмановым, А.И. Ковригиным на кристаллах дигидрофосфата калия и аммония, выращенных в отделе И.С. Реза, были выполнены первые в СССР нелинейно-оптические эксперименты. Оба эти коллектива (и Бебчука, и Реза) в 1962 г. вошли в состав вновь созданного СКБ элементов квантовой электроники во главе с Г.М. Сафроновым, а в 1964-м в частично обновленном составе влились в состав НИИ «Полюс». В 1965—1966 гг. основной состав материаловедческих подразделений переехал на площадку НИИ «Полюс» в Зюзино. Коллектив возглавил ученик А.М. Прохорова Г.М. Зверев.
Рез Иосиф Соломонович
Рез Иосиф Соломонович (1915 — 1991).
В 1932 г. закончил фабрично-заводского училище химиков, а в 1940 г. — химико-технологическое отделение Ленинградского индустриального института.
С 1950 г. работал в электронной промышленности, сначала в лаборатории, а впоследствии — в НИИ пьезотехники. В 1962 г. руководил отделом водорастворимых кристаллов в СКБ-311, вошедшем вскоре в состав НИИ «Полюс».
В 1960 г. защитил кандидатскую, а в 1970 г., уже работая в НИИ «Полюс», — докторскую диссертацию.
Организовал широкий поиск перспективных нелинейно-оптических кристаллов для квантовой электроники. Внес большой вклад в разработку технологии многих перспективных монокристаллов и элементов из них и организацию серийного производства; Создал научную школу по исследованиям и разработкам сегнетоэлектрических и нелинейно-оптических монокристаллов.
Автор более 200 научных работ и свыше 50 авторских свидетельств.
В первые годы в институте проводились работы по созданию технологии выращивания и обработки лазерного рубина. Химиками во главе с П.А. Цейтлин была разработана оригинальная технология создания исходного порошка — пудры из окиси алюминия, позволившая получить высококачественные кристаллы. В результате многолетних усилий технологов-ростовиков, специалистов по обработке кристаллов, физиков-исследователей в 1970 г. были разработаны первые в СССР рубиновые лазерные элементы, в том числе элемент Р5,5х75 с приемкой заказчиком. Была создана также необходимая нормативная и технологическая документация , в частности, ГОСТ «Типы и размеры» для лазерных активных элементов, сконструирован и изготовлен новый кристаллизационный аппарат и налажено его массовое производство на Ворошилоградском заводе электронного машиностроения. Впоследствии такими аппаратами было оснащено массовое производство лазерного рубина на предприятиях химической промышленности.
Разработанные технология и аппаратура были внедрены во многих организациях, в том числе в ГОИ и на заводах Минхимпрома (Г.М. Зверев, главный конструктор ОКР, З.И. Татаров, Е.Р. Алеев, П.А. Цейтлин, И.В. Васильев и др.).
Разработка технологии и оборудования проходили в тесном контакте с исследовательскими подразделениями института, которые позволили создать адекватные методы контроля выходных параметров активных элементов исходя из пассивных характеристик. Фундаментальные и прикладные исследования свойств лазерных кристаллов, проделанные в эти годы Г.М. Зверевым и его многочисленными учениками (В.В. Пашков, Г.Я. Колодный, А.М. Онищенко, И.В. Васильев, Е.А. Левчук, Л.А. Скворцов, О.Е. Сидорюк и др.), позволили разработать методы адекватной оценки свойств лазерных кристаллов, их лазерной стойкости, позволили создать надежные методы контроля лазерной стойкости, гарантирующие работу элементов в приборах специального назначения.
Институтом была решена задача выращивания высококачественных лазерных монокристаллов методом Чохральского.
Первые кристаллы молибдата кальция этим методом вырастила в 1962 г. инженер Н.И. Сергеева на территории физфака МГУ.
В дальнейшем к этим работам подключились З.И. Татаров и В.И. Клюев.
Клюев Василий Петрович
Клюев Василий Петрович (09.11.1933 — 14.09.2010).
В 1962 г. закончил геологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова по специальности «Геохимия» и поступил на работу в НИИ «Полюс».
В 1978 г. был назначен первым заместителем главного инженера НПО — главным технологом НПО «Полюс».
Один из разработчиков первых отечественных промышленных установок «Донец» для выращивания диэлектрических кристаллов методом Чохральского.
Лауреат Государственной премии СССР за разработку изделий электронной техники и внедрение их в спецтехнику и народное хозяйство.
Кандидат технических наук, автор более 50 печатных трудов и 20 авторских свидетельств на изобретения.
Награжден орденом «Знак Почета», знаком «Почетный работник электронной промышленности».
Вот что пишет об этом времени в своих мемуарах В.П. Клюев:
Меня, автора этих строк, принимал на работу лично директор СКБ Г.М. Сафронов в июне 1963 г. Я был направлен в только что созданную группу З.И. Татарова, которой предстояло заниматься выращиванием диэлектрических монокристаллов для твердотельных ОКГ методом Чохральского. Территориально эта малочисленная группа располагалась тогда в мраморном зале НИИ «Титан».
Как известно, в то время в стране отсутствовало специальное оборудование для выращивания высокотемпературных монокристаллов кислородсодержащих диэлектриков (сегнетоэлектриков) методом Чохральского. Для проведения опытов мы располагали только двумя установками: «Редмет-1» (разработка института «Гиредмет») с графитовым прямонакальным нагревателем, на которой были выращены первые кристаллы флюорита с самарием, и установка ВЦП (лабораторного типа) разработки Института кристаллографии АН СССР, в которой в качестве источника нагрева использовались промышленные высокочастотные генераторы закалочного типа ИО-60012 и ЛПЗ-67. Эти генераторы предназначены для процессов кратковременного действия и не обладали необходимой для выращивания монокристаллов стабильностью и интервалом регулирования мощности.
Помню, как нам с Н.И. Сергеевой после многочисленных опытов по выращиванию кристаллов алюмо-иттриевого граната (АИГ) из вольфрамовых и молибденовых тиглей удалось получить довольно-таки прозрачный кристалл из иридиевого тигля. Где удалось достать этот тигель размером всего 50 x 50 мм нашему вездесущему снабженцу — руководителю З.И. Татарову, мне до сих пор неизвестно.
Но тогда же мы поняли, что в основе технологии выращивания монокристаллов АИГ лежит иридий.
Но путь на получение фонда на применение этого редкого металла лежал через Госплан. В Госплане, куда я пришел просить иридий, я получил некий «ликбез», полезный как геохимику.
Сотрудник Госплана Кравченко сказала тогда, что в стране в год производится порядка 500 кг иридия, а потребность в нем ежегодно растет хотя бы для технологии покрытия сопел ракет, чем умерила мой аппетит. Получение фонда иридия всего в несколько килограммов было по тем временам победой.
А с приходом в 1965 г. из ИРЕА С.А. Федулова я полностью переключился на выращивание высокотемпературных сегнетоэлектриков — материалов для управления пучком ОКГ и, в частности, на ниобат лития и танталат лития.
В это же время были приобретены английские установки для выращивания монокристаллов фирмы «Родайн», которые первое время работали в «мраморном зале» НИИ «Титан», а в 1965 г. были перевезены в новое здание института.
В 1966 г. Н.И. Сергеева вырастила первые кристаллы алюмо-иттриевого граната с примесью неодима (АИГ:Nd), тогда же запустили первый лазер на АИГ:Nd (обработка элемента — лаборатория Г.М. Ромадина).
Ромадин Гурий Михайлович
Ромадин Гурий Михайлович (родился в 1935 г.).
Окончил в 1959 г. МВТУ им. Баумана по специальности инженер-механик.
С 1963 г. работает в НИИ «Полюс». Заместитель главного инженера.
Создал в институте еще в 60-х годах направление прецизионной оптической обработки кристаллов и стекла. Разработанный под его руководством и при непосредственном участии алмазный инструмент и сейчас используется в производстве гироскопических датчиков.
Награжден орденом «Знак Почета» и медалями, знаком «Почетный работник электронной промышленности», грамотами Министерства и предприятия.
В 1969 г. в результате выполнения НИР «Кантата-1» (руководитель В.М. Гармаш) были созданы низкопороговые элементы алюмо-иттриевого граната (порог генерации 0,33 Дж). Их первое промышленное производство было освоено в том же году опытным заводом при НИИ «Полюс» (начальник цеха Б.А. Баранов), и с этого момента началась огромная работа по разработке и организации промышленного выпуска элементов АИГ необходимых размеров с заданными параметрами. В результате были созданы элементы, не уступающие по уровню лучшим зарубежным образцам. Цилиндрические активные элементы имели диаметр от 2 до 12 мм, а длину — от 30 до 150 мм. Особую роль в разработке качественных кристаллов и элементов из них сыграла близость разработчиков кристаллов и элементов и создателей лазеров и приборов: в течение многих лет они работали вместе в едином коллективе во главе с Г.М. Зверевым.
Учитывая особенности технологии, приходилось выращивать монокристаллические були диаметром до 30 мм и длиной до 300 мм. Так как качественные кристаллы выращиваются при низких скоростях роста (
0,6 мм/час), выращивание таких кристаллов является длительным многосуточным процессом и требует принципиально нового ростового оборудования.
Появление установок фирмы «Родайн» и опыт выращивания монокристаллов на них позволили сформулировать требования к будущему отечественному специальному оборудованию для выращивания кристаллов методом Чохральского.
Заместитель министра электронной промышленности А.А. Захаров, который серьезно интересовался делами института, поверил в квантовую электронику и подключил к разработке ростового оборудования КБ завода электронного машиностроения (г. Ворошиловград, ныне Луганск, Украина).
Первый серийный выпуск установок «Донец-1» начался в 1971 г. И сегодня уместно вспомнить директора КБ завода Элмаш В.П. Сороку, главного инженера Л.К. Швагера, талантливого руководителя конструкторского отдела А.К. Иванкина и многих рядовых разработчиков этого КБ, вложивших свой талант и опыт в создание ростового оборудования.
А с появлением опытных образцов оборудования собственной разработки, в том числе ростовой установки типа «Киноварь» для выращивания крупных кристаллов АИГ диаметром до 15 мм и длиной до 180 мм (это разработки конструкторского отдела института под руководством Л.К. Ковалёва; разработчики В.А. Архипов, Б.Г. Васецкий, В.Е. Стадник, В.А. Шитов) работы по выращиванию высокотемпературных диэлектрических кристаллов сильно продвинулись дальше. На базе установок «Киноварь» в Ворошиловграде в 1975 г. начался массовый серийный выпуск ростовых установок «Кристалл», создавших прочную базу для промышленного выпуска монокристаллов для лазеров.
Наряду с выпуском активных элементов на опытном заводе института в Москве было организовано их производство в филиале опытного завода в Сергаче (начальник цеха В.М. Шикин) и на БЗТХИ — Богородицком заводе технохимических изделий (начальник цеха В.А. Золотухин, главный инженер С.А. Комаров). В цехах заводов выращивание кристаллов АИГ проводилось более чем на 50 ростовых машинах.
Вот как этот период описывает в своей исторической справке ОАО «Богородицкий завод технохимических изделий»:
Однако, как ни значительны были успехи завода к началу 70-х годов, темпы роста снизились. Все труднее давались прирост объемов выпускаемой продукции и выполнение установленного плана.
Были для этого объективные причины: производство технохимической продукции падало в связи с сокращением выпуска приемно-усилительных ламп.
Наступило время полупроводников и микроэлектроники. И здесь начинается вторая жизнь предприятия — это производство изделий квантовой электроники (ИКЭ).
Начало этого следует отнести к 1973 г. 3-му главку Министерства электронной промышленности был передан Московский НИИ «Полюс», и главк сразу стал заниматься внедрением разработок института на подведомственных предприятиях. Заводу предложили организовать производство искусственных кристаллов.
Решено было остановиться на производстве оксидных кристаллов, получаемых вытягиванием из расплава (метод Чохральского) на специальном ростовом оборудовании.
Это был трудный и ответственный период в жизни предприятия. Шло непрерывное освоение новых изделий и наращивание их выпуска. Завод наладил производство не только кристаллов ниобата лития и заготовок из них для электрооптических затворов, но и производство пластин для интегральной оптики и пластин для фильтров на ПАВ, акустооптических затворов, элементов из граната и алюмината иттрия для твердотельных лазеров, а затем и излучателей для технологических лазеров (квантроны), излучателей для спецтехники, а затем и лазеров.
За 10 лет непрерывного совершенствования и развития этого направления номенклатура изделий квантовой электроники достигла более 100 наименований, полностью перекрыты объемы падения технохимического производства и значительно увеличены общие объемы выпуска продукции. Следует сказать, что удельный вес изделий квантовой электроники на заводе превышал 50% общего выпуска.
Были организованы ОКБ (с числом работающих до 150 человек), спецприемка изделий, лаборатория надежности и испытаний. Количество ростовых машин, в т.ч. и нового поколения с управлением от ЭВМ, было доведено до 150 единиц. Производство росло столь быстро, что на базе одного цеха было создано 3 подразделения: производство граната, производство ниобата лития (кристаллы и пластины), производство водорастворимых кристаллов и различных электро-оптических и акустооптических затворов.
О масштабах производства можно судить хотя бы по тому факту, что производство пластин ниобата лития диаметром 50,8; 62,3 и 76,2 мм доходило до 20 тысяч штук в месяц, и завод практически полностью удовлетворял потребности всех предприятий, производивших фильтры на ПАВ.
В это же время на заводе была осуществлена практически полная компьютеризация всех основных технологических процессов (выращивание кристаллов, проверка их качества и испытание изделий) и внедрена компьютерная техника, как в процессе проектирования изделий, так и для проведения всех учетных и ремонтных работ предприятия: бухгалтерия, финансы, труд, зарплата, материальные отчеты и кадры.
Непрерывно шла разработка новых изделий и технологических процессов и в самом ОКБ предприятия: так, был разработан и успешно внедрен в практику терапевтический лазер, кристаллы танталата и иодата лития, а затем кристаллы и изделия (элементы) из вольфрамата свинца, сыгравшие свою значительную роль в дальнейшем существовании и выживании завода.
Период перехода к рыночной экономике и связанные с ним трудности не обошли стороной и БЗТХИ. Но несмотря на падение численности работающих из-за отсутствия потребности в таких изделиях как ТХП, пластины ниобата лития для ПАВ, сокращение объемов выпуска лазеров и излучателей, предприятие наладило выпуск изделий для обеспечения международной программы ядерных исследований и успешно развивало это направление совместно с ведущими фирмами России и Западной Европы, сохранив тем самым свои основные кадры, и обеспечило жизнь заводу.
Особо следует упомянуть просто уникальные технологии завода:
- технология выращивания и ремонта иридиевых тиглей для роста кристаллов с высокой температурой плавления;
- технология получения кристаллов ниобата лития большого диаметра для получения пластин диаметром 76,2 и 100 мм (фильтры на ПАВ);
- технология производства кристаллов и изделий из вольфрамата свинца (сцинтиллятор, поставляется в ЦЕРН — Европейский центр ядерных исследований);
- выращивание кристаллов алюмината иттрия (твердотельные лазеры) и лантангаллиевого силиката (сегнетоэлектрик для ПАВ устройств нового поколения).
Следует отметить, что развитие масштабного производства изделий квантовой электроники в БЗТХИ осуществлено при непосредственном руководстве НИИ «Полюс» (В.М. Гармаш, Е.Р. Алеев). Мощная производственная база по выращиванию кристаллов позволила БЗТХИ уже в XXI веке укомплектовать кристаллами вольфрамата свинца детекторы ядерных частиц в Большом адронном коллайдере — международном проекте ЦЕРНа.
Алеев Евгений Ростиславович
Алеев Евгений Ростиславович (родился в 1940 г.).
Главный технолог предприятия НИИ «Полюс».
Окончил в 1964 г. Московский энергетический институт по специальности «Диэлектрики и полупроводники».
В НИИ «Полюс» работает с 1965 г. Основные направления работ: разработка и производство элементной базы для твердотельных лазеров, квантронов для лазерного технологического оборудования; разработка технологической документации и реализация многих специальных технологий; техническое перевооружение производства и организация использования временно свободных площадей.
Награжден знаком «Почетный работник электронной промышленности» и юбилейными медалями.
Гармаш Владимир Михайлович (родился в 1937 г.).
Окончил в 1961 г. Московский институт стали и сплавов.
В 1966 г. поступил на работу в НИИ «Полюс», где прошел большой путь: старший инженер, ведущий инженер, начальник лаборатории, начальник отдела, начальник отделения, заместитель генерального директора НПО — начальник отделения, начальник НТЦ «Полюс-1», ведущий научный сотрудник.
Разработал научные основы производства элементов из диэлектрических кристаллов для излучателей твердотельных лазеров и приборов управления их излучением, а также для применения в пьезотехнике, акустоэлектронике и других областях техники; разработал требования к технологическому оборудованию для производства элементов твердотельной квантовой электроники; ввел понятие квантрона; организовал разработку нормативных документов, в том числе первого ГОСТа «Типы и размеры активных элементов из алюмо-иттриевого граната».
Доктор технических наук, профессор.
Автор более 111 авторских свидетельств, 180 печатных работ, 90 научно-технических отчетов.
Награжден орденом «Знак Почета», знаком «Почетный работник электронной промышленности», юбилейными медалями.
Удостоен премии Совета Министров СССР и премии Правительства Российской Федерации (1999 г.).
К сожалению, к настоящему времени этот уникальный завод прекратил работу по производству монокристаллов.
В конце 70-х годов объем производства активных элементов из АИГ:Nd на всех заводах превысил 3 тыс. шт. в год.
Одновременно с разработкой элементов из АИГ велась работа по синтезу других лазерных кристаллов. Один из них — алюминат иттрия(АИ) — оказался более технологичным, чем АИГ (а в ряде режимов генерации не уступал ему) и был внедрен в производство; выпуск элементов из АИ в 80-х годах составил более 1 тыс. шт. в год (В.М. Гармаш).
Кристалл иттрий-алюминиевого граната, выращенный по методу Чохральского
С конца 80-х до середины 90-х годов потребность в активных элементах удовлетворялась за счет ранее проведенных разработок и созданных производственных мощностей. Однако в 90-х годах в связи с успешной разработкой полупроводниковых лазеров встал вопрос о создании кристаллов специально для диодной накачки. Были синтезированы перспективные для этой цели кристаллы (фосфаты и бораты, легированные неодимом, Н.И. Павлова, А.В. Шестаков) и разработана технология изготовления элементов для таких лазеров (Л.В. Касьянова). В настоящее время исследуются возможности синтеза смешанных ванадатов, фосфатов и других перспективных соединений, а также создания композитных активных материалов для лазеров с полупроводниковой накачкой.
В тот же период велись работы по созданию нелинейных и электрооптических материалов для преобразования частоты излучения и модуляции добротности резонатора. В 1968 г. была закончена НИР «Литий» (руководитель В.П. Клюев, ответственный исполнитель Н.Б. Ангерт) по выращиванию кристаллов ниобата лития, результаты которой были внедрены на опытном производстве института и на Кировоканском химическом комбинате. Успехи в создании кристаллов ниобата лития высокого оптического качества позволили перейти к изготовлению законченных изделий — электрооптических затворов и модуляторов (ОКР «Каркас», руководитель В.М. Гармаш, ОКР «Каркас-1», ОКР «Кварц», ОКР «Вюрцит», руководитель В.А. Пашков, ответственный исполнитель А.М. Онищенко). Разработанные электрооптические затворы из ниобата лития обладают широким диапазоном рабочих температур и широко используются во всех дальномерах и целеуказателях, в излучателях светолокаторов. Разработки затворов являются оригинальными, не имеют аналогов за рубежом и в течение многих лет продаются за границу.
Онищенко Алла Михайловна
После окончания физического факультета Московского государственного университета в 1963 г. начала свою трудовую деятельность в институте и продолжает работать в области квантовой электроники до настоящего времени.
В 1972 г. защитила диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.
Основные научные интересы связаны с исследованиями в области физики твердого тела методами спектроскопии, нелинейной оптики и сконцентрированы на разработке элементной базы твердотельных лазеров, в том числе лазерных, электрооптических и нелинейных элементов.
Внесла заметный вклад в подготовку специалистов в области лазерной техники. Под ее руководством или при ее непосредственном участии было выполнено большое количество дипломных работ и подготовлено несколько диссертаций.
Имеет более 100 научных трудов, ряд патентов и изобретений. В ранге научного руководителя или главного конструктора выполнила более 20 научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.
Одновременно с ниобатом лития разрабатывалась технология производства кристаллов танталата лития (Н.Б. Ангерт), проводился поиск новых более эффективных нелинейных кристаллов, получаемых из расплава (кристаллы «Банана», «Бастрона» и др.).
Развитие масштабного производства монокристаллов по методу Чохральского потребовало создания полной гаммы отечественного оборудования для выращивания и термообработки кристаллов. Эти работы возглавили Е.Я. Хоц и В.М. Гармаш. Наряду с упомянутыми выше установками для выращивания, были созданы также отжиговые, напылительные установки, установки для монодоменизации и раздвойникования монокристаллов.
Параллельно с работами по высокотемпературным кристаллам продолжались работы с водорастворимыми кристаллами (руководитель И.С. Рез, начальник лаборатории М.Ф. Колдобская), были разработаны технология производства кристаллов ADP, KDP, DKDP, TGS, CDA и др. и технология изготовления из них элементов для удвоения частоты излучения лазеров, параметрической генерации света, генерации третьей и четвертой гармоник лазеров на неодиме.
Выращивание кристаллов велось не только из водных растворов, но и из раствора в расплаве. Так, была разработана промышленная технология производства элементов из кристаллов калий-титанил-фосфата (КТР) (В.М. Гармаш, Н.И. Павлова), появление которых обеспечило возможность создания параметрических генераторов света в широком диапазоне длин волн (от 0,53 до 3,2 мкм).
Рост потребности в монокристаллах потребовал изменения организационных форм — в 1976 г. на базе научных отделов и цехов по выращиванию кристаллов был создан Научно-производственный комплекс 500 (руководитель — В.М. Гармаш), в который вошли отделение 500 (НИИ «Полюс»), московский цех и цеха опытного завода при НИИ «Полюс» (г. Сергач), цех по выращиванию кристаллов БЗХТИ и КБ БЗХТИ (руководитель — А.Н. Анненков).
Этот комплекс занимался разработкой и производством элементной базы для лазеров, выпускаемых в НПО «Полюс». Для обеспечения требуемого масштаба работ, особенно в интересах оборонной техники, к работе НПК 500 привлекались предприятия других министерств: было организовано производство мышьяковистых соединений (CDA и DCDA) в Грузгорнохимпроме (руководитель Н.Ш. Цхакая) и на Ловозерском ГОК, который выпускал кристаллы DKDP, иодата-лития и TGS (начальник цеха Е.П. Локшин).
Созданная кооперация позволила НПО «Полюс» обеспечить потребности Министерства обороны и космической отрасли в элементах квантовой электроники из диэлектрических монокристаллов и Министерства электронной промышленности — в лазерном технологическом оборудовании.
Были разработаны элементы преобразования и модуляции добротности для различных оборонных комплексов специального назначения(«Лотос», «Луна», «Кавказ», «Кемь» и др.), проведены работы по созданию кристаллических элементов для установок фотолитографии, элементов преобразования частоты в УФ-диапазоне («Курьер», В.М. Гармаш), акустооптических элементов (Л.Н. Магдич).
Возможности комплекса позволяли решать задачи не только квантовой электроники, но и других направлений электронной промышленности, например, по разработке и массовому выпуску пластин из ниобата лития для производства фильтров на ПАВ для цветного телевидения.
Таким образом, к началу 90-х годов НПО «Полюс» являлось одним из крупнейших научно-производственных центров по производству лазерной техники, в полной мере обеспечивавшим собственные потребности и потребности отрасли в диэлектрических кристаллах и элементной базе на основе этих материалов.
Период структурной перестройки всего экономического и политического уклада страны явился временем серьезных испытаний для всех организаций, работающих в области высоких технологий, в том числе и для НИИ «Полюс». К середине 90-х из-за изменения форм собственности и способов управления предприятиями, резкого сокращения объемов госзаказа, разрушения традиционной производственной кооперации общий объем производства лазерной техники, в том числе и элементов твердотельных лазеров, сократился более чем в 10 раз. В эти годы произошел ряд структурных изменений в организационной структуре института и предприятий, ранее входивших в НПО «Полюс», однако научно-производственный комплекс, ответственный за производство элементной базы, был сохранен. Его возглавил А.В. Шестаков.
Наряду с этим, доступность современного российского рынка для зарубежных производителей поставила вопрос о поиске путей сохранения базовых технологий, к числу которых, безусловно, относится и технология выращивания диэлектрических кристаллов. Естественным выходом из сложившейся ситуации была скорейшая реализация значительного научно-технического задела для модернизации существующих технологий и создание новой, конкурентоспособной продукции в институте за счет собственных средств. В эти годы был выполнен ряд НИР и ОКР по созданию новых кристаллов и элементов твердотельных лазеров, усовершенствован ряд технологических процессов, что позволило обеспечить выпуск кристаллов и элементов в необходимых количествах для комплектации собственного производства лазерной техники и активно продавать лазерные кристаллы и элементы в стране и за рубежом.
Технологическая установка «Гранат» (2010 г.)
Усилиями производственного коллектива и инженеров-технологов (А.В. Шестаков, Н.С. Громов, С.А. Большаков) производственный участок НИИ «Полюс» в последние годы обеспечивает выпуск широкой номенклатуры кристаллов и элементов лазерной техники, которые по своим характеристикам соответствуют зарубежным образцам. Следует особо отметить разработку и выпуск активных элементов на основе галлий-скандий-гадолиниевых гранатов, активированных неодимом и хромом, превосходящих в 2—2,5 раза кристаллы YAG:Nd по коэффициенту полезного действия благодаря дополнительному поглощению света накачки ионами хрома с последующей передачей энергии возбуждения ионам неодима. Разработка и исследования этих кристаллов проводились в тесном сотрудничестве с коллективом ИОФ РАН (И.А. Щербаков, В.В. Осико, Е.В. Жариков и др.).
Важным достижением института является создание и выпуск широкой номенклатуры не имеющих зарубежных аналогов электрооптических затворов на основе ниобата и танталата лития, работающих в широком интервале температур. В этих изделиях решена проблема стойкости к воздействию лазерного излучения. Такие затворы успешно применяются для модуляции добротности твердотельных лазеров на активированных кристаллах, излучающих в диапазоне длин волн 1,06—2,2 мкм.
Помимо электрооптических затворов, разработаны и выпускаются пассивные кристаллические лазерные затворы на основе YAG:Cr+4, широко применяющиеся для модуляции добротности твердотельных лазеров, излучающих на длине волны 1,06 мкм (в частности, при производстве малогабаритных дальномеров) (А.В. Шестаков). Проведены разработки пассивных затворов на основе кристаллов или ситаллов, активированных ионами кобальта для лазеров на фосфатных стеклах с длиной волны 1,54 мкм «безопасного» диапазона спектра.
За последние несколько лет после лабораторных исследований в производстве освоена технология выращивания крупногабаритных (диаметром до 50 мм) кристаллов алюмо-иттриевого граната, активированных редкоземельными ионами Er, Yb, Tm/Ho/Cr, а также кристаллов YAG с высокой концентрацией Nd (до 1,5% ат.) и примесью Ce +3 , которая дала возможность увеличить объем выпуска высококачественных лазерных элементов и провести разработку ряда новых конкурентоспособных лазеров и лазерных систем. В период 1997—2000 гг. выполнен цикл работ по модернизации существующих, разработке и внедрению новых электрооптических и пассивных затворов для твердотельных лазеров с ламповой и полупроводниковой накачкой. Разработка новых устройств управления излучением (А.М. Онищенко, В.Л. Наумов, Е.М. Крупина) открыла широкие возможности для создания высокоэффективных твердотельных лазеров, работающих в различных спектральных диапазонах.
Кристаллические лазерные элементы
В настоящее время в связи с широким применением в твердотельных лазерах полупроводниковой накачки и фактически с появлением нового поколения твердотельных лазеров актуальным является вопрос о разработке новой элементной базы, адаптированной для этих приборов. Потребности сегодняшнего рынка лазерных элементов настоятельно требуют разработки новых технологий, кристаллов, лазерных элементов и устройств управления лазерным излучением. С использованием технологии диффузионной сварки кристаллов созданы первые композитные лазерные элементы на основе алюмо-иттриевого граната с различным легированием (А.В. Шестаков, Н.И. Бородин, С.А. Большаков), позволяющие создавать функционально различные лазерные «микрочип»-структуры. Успехи этих технологических работ уже позволили создать первые образцы твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой, обладающих рекордными параметрами. На основе таких кристаллов созданы одномодовые, одночастотные «микрочип»-лазеры с диодной накачкой, работающие в режиме модуляции добротности и генерирующие импульсы с выходной энергией до 500 мкДж с длительностью импульсов менее 300 пс и частотой повторения до 5—8 кГц. По своим габаритам такие источники излучения сопоставимы с полупроводниковыми лазерами.
Другим примером демонстрации качества вновь разработанных элементов является создание серии высокоэффективных лазеров с диодной накачкой, работающих как в непрерывном режиме, так и в режиме с акустооптической модуляцией добротности резонатора, в том числе с преобразованием длины волны во вторую и третью гармоники основного излучения.
Значительный объем научно-исследовательских работ проведен по созданию активных элементов на основе Al2O3:Ti +3 и YAG:Cr +4 для перестраиваемых лазеров и лазеров с синхронизацией мод. Параметры экспериментальных образцов лазеров такого типа, в том числе с полупроводниковой накачкой, свидетельствуют о высоком качестве разработанных активных элементов. Эти работы получили признание научной общественности как у нас в стране, так и за рубежом. Направление диэлектрических кристаллов для квантовой электроники сохранило потенциал и способно обеспечить страну лазерными материалами.
В заключение хотелось бы вспомнить еще раз ветеранов института, внесших решающий вклад в разработку и становление направления монокристаллов для лазеров. Это Е.Р. Алеев, Ангерт Н.Б., С.А. Барышев, Н.И. Бородин, Н.С. Громов, М.Ф. Колодобская, А.П. Кудрявцева, С.В. Протасова, Л.Н. Райская, И.С. Рез, А.И. Сафонов, Г.И. Тюшевская, В.Л. Фарштендикер, А.А. Филимонов и другие специалисты. Как не вспомнить наших аппаратчиц, обеспечивающих многосменный непрерывный процесс выращивания монокристаллов — Т.И. Буфееву, Г.Д. Ерошину, А.В. Жиглову, С.Е. Илюшину, А.К. Ибрагимову, З.Г. Миронову, Л.С. Никифорову, Г.А. Суркову, Т.Ф. Яновскую, и наладчиков оборудования А.Н. Силкова, Н.Ф. Волкова, В.Н. Касоткина, Э. Луферова.
Все они посвятили значительную часть своего жизненного пути высокой технологии выращивания диэлектрических монокристаллов для лазеров.
Твердотельные лазеры на кристаллах, с которых началась лазерная эра более 50 лет назад, продолжают свое победное шествие.
НПК по выращиванию и обработке лазерных кристаллов и разработке приборов на их основе.
Cлева направо:
1-й ряд — Р.М. Бойко, И.А. Шестакова, Ю.В. Надоршина, Т.А. Мальцева, Г.Н. Платонова,
Е.М. Крупина, А.М. Муханов, В.В. Клопова, Н.В. Глебова, А.А. Романов, Л.И. Варламова.
2-й ряд — Д.Г. Калинин, С.А. Большаков, А.М. Сатаев, Н.И. Кутырин, В.А. Еремин, Н.К. Сигалова, В.Г. Бурмистров,
А.В. Шестаков, Н.И. Бородин, Б.В. Козлов, Н.М. Бузинов, Н.К. Богданов, Ю.В. Клопов, О.В. Пилипенко.
3-й ряд — А.О. Некрасов, В.Н . Смирнов, Е.М. Спицын, Н.П. Бадалян, В.В. Новопашин, А.Б. Козлов
Источник