Сибирские ученые ищут новые способы улучшения характеристик поверхности монокристаллов

Изначально монокристаллы выращиваются в виде слитков (булей), из которых затем изготавливают оптические элементы для дальнейшего применения (например, для преобразования длины волны излучения в мощных лазерах). Дело в том, что современные способы обработки материалов неизбежно формируют нарушенный приповерхностный слой с дефектами и загрязнениями, и его характеристики отличаются от остального материала. Из-за измененной структуры такая поверхность, когда на нее попадает интенсивное лазерное излучение, рассеивает или поглощает большее количество энергии, в результате чего происходит быстрый перегрев. В конечном счете это приводит к необратимому повреждению поверхности и поломке оптического прибора — при воздействии высокоинтенсивного лазерного излучения современные нелинейно-оптические монокристаллы разрушаются всего за несколько дней рабочего времени.

 

   Образец монокристалла, закреплённый на координатном столике для получения его оптических характеристик с помощью зелёного лазера в отделе прикладной физики ФФ НГУ

 

Исследователи из НГУ решили обрабатывать оптические монокристаллы газовым ионно-кластерным пучком. «Газовый кластер представляет собой скопление атомов, удерживающихся вместе слабыми силами межатомного взаимодействия, — поясняет старший научный сотрудник отдела прикладной физики НГУ кандидат физико-математических наук Николай Геннадьевич Коробейщиков. — Если кластеры имеют заряд, то их называют газовыми кластерными ионами — именно они и составляют ионно-кластерный пучок, который был предложен в 1990-е годы японскими учеными как инструмент обработки полупроводников и металлов, а мы решили использовать его и для монокристаллов».

 

Чтобы усовершенствовать этот метод, несколько лет назад новосибирские ученые сконструировали универсальный стенд КЛИУС, аналоги которого есть только в Москве, а также в США и Японии. Используя стенд, удается удалять нарушенный приповерхностный слой монокристаллов: хотя вследствие обработки кластерные ионы формируют новый нарушенный слой, он всё же в десятки раз тоньше исходного. Кроме того, такой способ позволяет снижать (или — в случае сверхгладких поверхностей — не ухудшать) шероховатость поверхности образцов, которая также относится к нарушению структуры.

 

   Универсальный стенд КЛИУС для обработки материалов ионно-кластерным пучком в отделе прикладной физики ФФ НГУ

 

«Установку приходилось закупать по частям и собирать вручную, — вспоминает Н. Г. Коробейщиков, — но ее стоимость в итоге оказалась гораздо дешевле, чем покупка нового японского прибора — на тот момент уникальной установки. В то же время собственный стенд КЛИУС позволил лучше познакомиться с технологией обработки газовыми кластерами, придуманной японскими учеными, и разработать свои оригинальные методики к нему». 

 

По словам специалиста, ионно-кластерный пучок имеет множество параметров, которые можно изменять, поэтому работы в этой области продолжаются. Дальнейшие исследования позволят однозначно определить наиболее оптимальный режим или режимы обработки для удаления поврежденного слоя, сглаживания и внесения наименьшего повреждения поверхностей. 

 

Надо отметить, что коллектив отдела прикладной физики НГУ занимается не только обработкой, но и диагностикой сверхгладких поверхностей. Ученые разработали и получили патент на оригинальный метод, основанный на анализе изменения коэффициента отражения лазерного излучения под определенными углами падения. Совмещая свои работы по обработке и диагностике, физики НГУ надеются не просто улучшать характеристики монокристаллов, но и разработать способ получения идеальных поверхностей оптических материалов, который позволит значительно увеличить срок их службы.

 

Иван Николаев, НГУ

 

Фото предоставлены отделом прикладной физики ФФ НГУ

 

Поделись с друзьями: