Последние достижения Китая в области BGSe кристаллов
Китайские ученые из Хэфэйского института физических наук Китайской академии наук под руководством профессора У Хайсиня (Wu Haixin) добились выдающегося результата, создав рекордный по размеру кристалл селеногаллата бария (BGSe) диаметром 60 мм1234. Это достижение представляет собой самый большой образец BGSe, о котором сообщалось в мире на сегодняшний день34.
Кристалл демонстрирует исключительные характеристики для лазерных приложений, способный выдерживать мощность лазерного излучения до 550 мегаватт на квадратный сантиметр1234. Это в десять раз превышает порог повреждения существующих кристаллов военного назначения34, что открывает возможности для создания мощного лазерного оружия, способного поражать спутники с земной поверхности1234.
История открытия и развития BGSe
Селеногаллат бария (BaGa₄Se₇) был впервые синтезирован в 2010 году56. Это соединение кристаллизуется в моноклинной пространственной группе Pc с параметрами элементарной ячейки a = 7.6252(15) Å, b = 6.5114(13) Å, c = 14.702(4) Å, β = 121.24(2)°, и Z = 2786.
BGSe был открыт китайскими исследователями в 2010 году, что пот научное сообщество своими превосходными свойствами5. Попытки западных оборонных компаний воспроизвести кристалл встретились с трудностями, особенно в масштабировании производства до пригодных для использования размеров5.
Физические и оптические свойства
BGSe обладает уникальным сочетанием свойств, делающих его идеальным для нелинейных оптических применений:
Основные характеристики:
Оптические свойства:
BGSe эффективно преобразует коротковолновое инфракрасное излучение в лучи среднего и дальнего инфракрасного диапазона1234. Кристалл демонстрирует SHG отклик примерно в 2-3 раза превышающий AgGaS₂7611, что делает его очень перспективным для практических применений в ИК области6.
Процесс производства и выращивания
Производственный процесс BGSe крайне сложен и требует исключительной точности512. Согласно исследованиям команды У Хайсиня, процесс включает:
Подготовка материала:
Ультрачистые барий, галлий и селен вакуумируются в кварцевых трубках с использованием метода зонной очистки512. Эти трубки нагреваются в двухзонной печи до 1020°C (1868°F), создавая расплавленную область, где кристаллы начинают расти512.
Процесс роста:
Трубки медленно опускаются в более прохладные области в течение месяца512. После формирования кристаллы подвергаются отжигу — выдерживаются при 500°C в течение нескольких дней, затем охлаждаются с контролируемой скоростью 5°C в час для удаления внутренних дефектов512.
Финальная обработка:
Финальная полировка выполняется алмазными пилами и суспензией оксида церия для достижения оптически гладких поверхностей5.
Применения BGSe кристаллов
Военные применения:
BGSe кристаллы имеют потенциал для создания мощного лазерного оружия наземного базирования, способного поражать спутники на орбите1234. Это достижение совпало с активизацией китайской программы по разработке оружия направленного действия, связанной с растущей озабоченностью деятельностью спутников Starlink в зоне военного конфликта в Украине1.
Гражданские применения:
Лазерные системы:
BGSe в настоящее время считается лучшим нелинейным оптическим кристаллом для частотного преобразования вниз средне- и дально-инфракрасных лазеров для зрелых лазеров 1 μм7. Кристаллы BGSe могут накачиваться лазером 1-3 μм для производства перестраиваемых лазеров до 18 μм в средне- и дально-инфракрасном диапазоне78.
Сравнение с аналогами
По сравнению с традиционными материалами, такими как AgGaS₂ и ZnGeP₂, BGSe демонстрирует значительные преимущества:
Исследовательские применения
BGSe кристаллы активно используются в передовых исследованиях с 2020 года218. Они особенно ценны для генерации широкополосного средне-инфракрасного континуума, охватывающего от 6 до 18 μм192021, что делает их незаменимыми для спектроскопических применений и фундаментальных исследований.
Создание крупнейшего в мире кристалла BGSe диаметром 60 мм представляет собой значительный технологический прорыв, который может кардинально изменить как военные, так и гражданские применения лазерных технологий. Уникальные свойства этого материала в сочетании со сложностью его производства подчеркивают важность данного достижения китайских ученых в области материаловедения и лазерной техники.
Российские аналоги и альтернативы BGSe кристаллов
Хотя прямых российских аналогов селеногаллата бария (BGSe) с диаметром 60 мм пока не существует, в России есть ряд подобных кристаллов и материалов, которые используются для схожих целей в лазерных технологиях.
Российские производители нелинейных оптических кристаллов
Компания «Кристалл-Т» (Томск) является единственным серийным производителем лазерных кристаллов в России12. Их кристаллы "по оптической мощности в десятки раз превосходят материалы других компаний" и значительно дешевле зарубежных аналогов1. Компания выпускает свыше 200 изделий в год, используя кристаллы собственного производства2.
Лаборатория Синтетических Кристаллов (ЛЕА) производит различные нелинейные оптические кристаллы, включая селеногаллат серебра (AgGaSe2), который является ближайшим аналогом BGSe34. В их каталоге представлен широкий ассортимент кристаллов для лазерных применений.
Кристаллы титанил-арсената калия (KTA)
Ученые НГУ впервые в России создали уникальные монодоменные кристаллы титанил-арсенат калия (KTiOAsO4)56. Эти кристаллы используются "для создания приборов в системах защиты летательных аппаратов и других специальных применений, где требуются мощные источники излучения среднего инфракрасного диапазона"6.
KTA обладает превосходными характеристиками:
- Прозрачность в диапазоне 0.35-5.5 мкм7
- Высокие нелинейно-оптические коэффициенты (d31 = 2.76 pm/V, d32 = 4.74 pm/V)7
- Порог лазерного повреждения >2000 МВт/см²7
Селеногаллат серебра (AgGaSe2)
AgGaSe2 является коммерчески доступным кристаллом селенидного класса с диапазоном прозрачности 0.73-18 мкм89. Российские компании активно работают с этими кристаллами:
- Порог оптического разрушения 350 МВт/см² при 1.064 мкм8
- Высокие нелинейные коэффициенты (~70 пм²/В²)9
Другие российские разработки в области средне-ИК кристаллов
Институт лазерной физики СО РАН активно исследует селеногаллат бария10. По данным исследований, "селеногаллат бария является уникальным кристаллом для применения в параметрических генераторах с одномикронной накачкой"10.
Институт геологии и минералогии СО РАН выращивает различные нелинейные кристаллы, включая:
- β-борат бария (β-BaB2O4)11
- Кристаллы класса селенидов и сульфидов7
- Кристаллы для диапазона 0.16-18 мкм7
Медицинские лазерные кристаллы
Институт прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде разработал технологию выращивания кристаллов для медицинских лазеров1213. Эти кристаллы могут заменить импортные аналоги и имеют более высокие характеристики13.
Производство кристаллов для оборонных целей
Россия активно развивает производство кристаллов оборонного назначения:
Лазерный комплекс "Сжатие" использовал специально выращенный искусственный кристалл рубина массой 30 кг14. Это показывает возможности России в создании крупных лазерных кристаллов для военных применений.
Новые разработки 2024-2025 годов:
- Минпромторг заказал разработку квантоворазмерных гетероэпитаксиальных структур на базе отечественных кристаллов арсенида галлия (GaAs)15
Перспективы развития
Хотя России пока не удалось создать кристалл BGSe такого размера, как китайский (60 мм), страна обладает:
- Собственными технологиями выращивания альтернативных кристаллов
- Научными школами в области нелинейной оптики
- Промышленными мощностями для серийного производства
Российские кристаллы KTA, AgGaSe2 и другие альтернативы могут использоваться для схожих применений, хотя и не достигают всех характеристик BGSe. Главные преимущества российских разработок - более низкая стоимость и отсутствие зависимости от импорта12.
Планируется ли создание кристаллов BGSe в России?
На настоящий момент официальных программ или крупных проектов по выращиванию рекордных по размеру кристаллов согаллата бария (BGSe) в России не объявлено. В стране ведутся фундаментальные и прикладные исследования свойств BaGa₄Se₇, однако до стадии промышленного или полу-промышленного выращивания крупных монокристаллов, сравнимых с китайскими образцами диаметром 60 мм, дело не дошло.
- Фундаментальные исследования
– Несколько проектов Российского научного фонда (РНФ) и научных институтов, в частности Института лазерной физики СО РАН, посвящены изучению нелинейно-оптических свойств и генераторных схем на основе BaGa₄Se₇ 12.
– В заявленных завершённых фазах подобных проектов речь шла о параметрических усилителях и осцилляторах с малыми образцами кристалла, а не об амбициозном масштабировании до десятков миллиметров. - Промышленная готовность
– В отличие от Китая, где Хэфэйский институт ФИЦ создал образец диаметром 60 мм при поддержке Академии наук КНР, российская промышленность пока не располагает технологиями зонной очистки и длительного выращивания, обеспечивающими столь крупные кристаллы.
– Кристалл-производители (например, «Кристалл-Т» и Лаборатория синтетических кристаллов) выпускают более распространённые нелинейные материалы (AgGaSe₂, KTA и др.), но объявлений о серийном производстве BGSe крупного размера не было. - Перспективы
– Учитывая стратегический интерес к мощным лазерным системам, в том числе оборонного назначения, теоретически возможен запуск отечественной программы выращивания крупных кристаллов BGSe. Однако публичной информации о выделении бюджетных средств, создании опытного производства или государственной целевой программе по этому направлению нет.
– На ближайшую перспективу российские исследователи ориентируются на совершенствование параметрических осцилляторов и изучение альтернативных нелинейных кристаллов с более простыми технологиями масштабирования.
Вывод: создание в России кристаллов BGSe рекордного размера (≈60 мм и более) пока не планируется на государственном или промышленном уровне. Идёт лишь научная проработка и мелкосерийные исследования, но до технологической зрелости и массового производства подобных образцов ещё далеко.