Разработка технологии изготовления мощных полупроводниковых лазеров с улучшенными характеристиками на основе полупроводниковых наногетероструктур для технологических применений и диодной накачки

Информация о выполнении проекта МОН
от 30.06.2014 г. № 14.575.21.0047

«Разработка технологии изготовления мощных полупроводниковых лазеров с улучшенными характеристиками на основе полупроводниковых наногетероструктур для технологических применений и диодной накачки»

 

В ходе выполнения проекта «Разработка технологии изготовления мощных полупроводниковых лазеров с улучшенными характеристиками на основе полупроводниковых наногетероструктур для технологических применений и диодной накачки» по Соглашению о предоставлении субсидии от 30.06.2014 г. № 14.575.21.0047 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №1 в период с 30.06.2014 г. по 31.12.2014 г. выполнялись следующие работы:

  • проводился аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ;
  • проводились патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96;
  • проводились теоретические исследования тепловых режимов работы мощных диодных лазеров смонтированных на теплоотводящих элементах различных типов;
  • обоснован выбор оптимальных конструкций базовых теплоотводящих элементов мощного диодного лазера;
  • обоснован выбор технологий изготовления и финишной обработки базовых теплоотводящих элементов мощного диодного лазера;
  • обоснованы и выбраны оптимальные конструкций изоляторов, электродов и методов присоединения электрических выводов мощного лазерного диода;
  • создан чертеж базового теплоотводящего элемента;
  • разработана методика монтажа экспериментальных образцов базовых теплоотводящих элементов мощного диодного лазера;
  • выполнены исследования параметров теплового режима на смонтированных экспериментальных образцах диодного лазера методом анализа спектрального состава излучения;
  • проведены исследования и анализ ватт-амперных и вольт-амперных характеристик на смонтированных экспериментальных образцах диодного лазера.

При этом были получены следующие результаты

Создана трёхмерная тепловая модель, позволившая оценить и выбрать теплоотводящий элемент типа С - маунт толщиной 4.7 - 5 мм, который может быть вполне успешно использован в качестве базового теплоотводящего элемента для мощного лазерного диода при тепловой нагрузке около 10 -12 Вт, что соответствует уровню выходной мощности около 8 - 10 Вт в непрерывном режиме при стандартной для приборов такого класса при температуре задней грани 20 градусов Цельсия и значениях их полного К.П.Д. не менее 50% . Экспериментально был получен непрерывный ресурсный режим на мощности 8 Вт, что возможно при реализации полного к.п.д. в максимуме более 50% , соответственно получение непрерывной ресурсной мощности 10 Вт требует повышения полного к.п.д. в максимуме до значений более 60% . Определены ватт-амперные и вольт-амперные характеристики изготовленных мощных лазерных диодов.

Научной новизной результатов работ на данном этапе являются:

надёжное получение непрерывной ресурсной мощности 8 Вт возможно при реализации полного к.п.д. в максимуме более 50% , соответственно получение непрерывной ресурсной мощности 10 Вт требует повышения полного к.п.д. в максимуме до значений более 60% .

Полученные результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту и свидетельствуют о целесообразности продолжения работ по проекту.


 

"Разработка технологии изготовления мощных полупроводниковых лазеров с улучшенными характеристиками на основе полупроводниковых наногетероструктур для технологических применений и диодной накачки». Этап 2 .

Соглашение о предоставлении субсидии от 30 июня 2014 г. № 14.575.21.0047 шифр: «2014-14-576-0055-059».

 

Цель проекта

 

Создание высокоэффективных и надёжных диодных лазеров и лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур с возможно высокой мощностью излучения, высоким коэффициентом полезного действия (КПД), уменьшенной расходимостью излучения, узкой спектральной линией. Такие приборы будут использоваться для эффективной накачки твердотельных и газовых лазеров, в технологических лазерных системах, медицине, спецприменениях в космической и оборонной технике, для решения задач лазерного термоядерного синтеза

 

Основные результаты проекта

 

  1. Сформулированы требования к технологическим условиям монтажа диодных лазеров, обеспечивающим решение задач, заданных ПНИ
  2. Разработана лабораторная технологическая инструкции изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур.
  3. Разработана эскизная конструкторская документация диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур.
  4. Изготовлены экспериментальные образцы диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур.
  5. Проведено исследование экспериментальных образцов диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
  6. Сформулированы требования к технологическим режимам изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров с целью обеспечения требуемых выходных параметров.
  7. Проведена корректировка номенклатуры расходных материалов, инструментов, оснастки и контрольно-измерительного оборудования для проведения отдельных технологических процессов цикла изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров.

 

Новизна

 

  1. Новизна сформулированных требований к технологическим процессам определяется комплексом определённых нами важных параметров, включающих требования к помещениям, одежде, инструментам, комплектующим, таре, размещению технологического оборудования, требуемому технологическому оборудованию, оборудованию обеспечения и материальному обеспечению техпроцессов.
  2. Разработанная лабораторная технологическая инструкции изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров оригинальна, как в части изготовления элементов комплектации, так и в части конструкции прибора и технологии её изготовления.
  3. Разработанная эскизная документация имеет элементы новизны, связанные с оригинальной конструкцией и технологией её изготовления.
  4. Разработанные образцы имеют новый оригинальный дизайн в соответствии с новой оригинальной технологией изготовления и конструкцией.
  5. Оригинальность исследований, проведенных исследований экспериментальных образцов диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур методом сканирующей электронной микроскопии определяется применением метода сравнительного анализа экспериментальных образцов собранных на теплоотводящих элементах типа F-маунт C-маунт. Применены оригинальные методики исследований, в частности при проведении микроанализа проведено послойное удаление материала для выявления истинного состава многослойных покрытий, применена специальная ориентация детектора для повышения уровня сигнала от материала при микроанализе состава в узкой канавке.
  6. Новизна требований к технологическим режимам изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров заключается в анализе технологических режимов изготовления разделительных канавок мезаструктур на лазерных наногетероструктурах и режимов создания на них локальных диэлектрических покрытий для диэлектрической изоляции отдельных излучающих полосковых контактов и кластеров, сопоставлении полученных результатов с технологическими режимами и нахождением оптимальных параметров для решения задач ПНИ.
  7. Новизна проведенной корректировки номенклатуры расходных материалов, инструментов, оснастки и контрольно-измерительного оборудования заключается во внедрении в технологию методов контроля параметров технологических процессов: внедрение измерения температуры диодных лазеров в вакуумной камере во время осаждения интерференционного многослойного покрытия позволяет с большей точностью контролировать параметры покрытий, а также предотвратить возможность термического повреждения зеркал резонаторов, что крайне важно для повышения выходной мощности и обеспечения ресурсной работы приборов.

Все работы по второму этапу ПНИ выполнены в полном объёме в соответствии с Техническим заданием и Планом-графиком исполнения обязательств ПНИ по Соглашению о предоставлении субсидии от 30 июня 2014 г. № 14.575.21.0047.

 

Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки

 

Охраняемые результаты РИД за отчетный период созданы не были.

 

Назначение и область применения результатов проекта

 

В настоящее время продолжает бурно развиваться направление мощных инжекционных лазеров и линеек лазерных диодов на их основе, имеющих широкий спектр практических применений (оптическая связь, запись информации, технология обработки материалов, накачка твердотельных лазеров, медицина, полиграфия, обеспечение безопасности движения на воздушном, автомобильном и других видах транспорта, системы навигации, слежения и наведения, оптическая локация, анализ экологических загрязнений, получение ультракоротких импульсов света, в спектроскопии, оборонной технике и т. д.).

Главными сферами их применения являются сварка кузовов автомобилей, железнодорожных вагонов, морских и речных судов, металлоконструкций, резка, упрочнение материалов, лазерная очистка.

Планируемые разработки проводятся на высоком научно-техническом уровне, что обеспечивается высокой квалификацией участников проекта, накопленным ими опытом успешного выполнения многих проектов по грантам Минобрнауки, РФФИ и хоздоговорам, имеющимся научно-техническим заделом по ключевым направлениям запланированных в проекте работ.

 

Эффекты от внедрения результатов проекта

 

  • Внедрение результатов ПНИ в производственные процессы технологии изготовления диодных лазеров и лазерных линеек.
  • Повышение эффективности производства и качества продукции Индустриального партнера.

Диодные лазеры являются основными изделиями современной квантовой электроники и лазерной техники. Доля лазерных диодов на мировом рынке продолжает неуклонно расти.

Мировой рынок фотоники – 270 млрд. евро (данные 2008 г., прирост в 2005-2008 г.г. составляет 6,5% ежегодно). Европейский рынок фотоники – 55 млрд евро (данные 2008 г., прирост в 2005-2008 г.г. составляет 8% ежегодно). Европейская фотоника в 2008 г. – это 2517 компаний и 748 исследовательских организаций. Общее число занятых в области фотоники специалистов – 300 тыс. чел., только в Европе в 2005-2008 г.г. в область фотоники добавилось 40 тыс. новых рабочих мест (данные Optech Consulting, VDWВ). В 2010-2012 году объем мирового лазерного рынка составил около 6 миллиардов долларов, при этом около 70% приходится на лазерные диоды. Стоимость лазерных диодов непрерывно снижается с ростом объёмов производства, что стимулирует расширение сфер их применения. В России рынок лазерных диодов в 2003 году составил только 15% от общего объёма лазерного рынка, составляющего 120 млн. долларов.

 

Наличие соисполнителей

 

Соисполнители работ по проекту отсутствуют.


 

"Разработка технологии изготовления мощных полупроводниковых лазеров с улучшенными характеристиками на основе полупроводниковых наногетероструктур для технологических применений и диодной накачки». Этап 3.

Соглашение о предоставлении субсидии от 30 июня 2014 г. № 14.575.21.0047 шифр: «2014-14-576-0055-059».

Цель проекта

Создание высокоэффективных и надёжных диодных лазеров и лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур с возможно высокой мощностью излучения, высоким коэффициентом полезного действия (КПД), уменьшенной расходимостью излучения, узкой спектральной линией. Такие приборы будут использоваться для эффективной накачки твердотельных и газовых лазеров, в технологических лазерных системах, медицине, спецприменениях в космической и оборонной технике, для решения задач лазерного термоядерного синтеза

Основные результаты проекта

  1. Разработана Программа и Методики исследовательских испытаний диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур.
  2. Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур. На основе новой методики и разработанных критериев отобраны потенциально ресурсные экспериментальные образцы. Обнаружены новые особенности в выходных параметрах экспериментальных образцов на длине волны 808 нм, они учтены в новой методике отбора ресурсных приборов.
  3. Проведены экспериментальные исследования по установлению закономерностей влияния режимов монтажа на выходные характеристики режимов экспериментальных образцов диодных лазеров.
  4. При вариации режимов монтажа ЛД обнаружены новые закономерности технологических процессов влияющие на выходные параметры ЛД и связанные в основном с явлениями неоднородности температурного поля, смачиваемости припоем поверхностей лазерного чипа и теплоотводящего элемента и капиллярным эффектом в зазоре между чипом и теплоотводящим элементом.
  5. Проанализированы полученные данные, скорректированы режимы монтажа экспериментальных образцов диодных лазеров. На основании полученных данных и их анализа оптимизированы технологические параметры процессов монтажа. Указанные оптимизированные параметры являются новыми и оригинальными.
  6. Скорректирована ЭКД конструкции диодных лазеров по результатам проведенных исследовательских испытаний. Разработанная и скорректированная ЭКД является новой и оригинальной.
  7. Проведено исследование экспериментальных образцов диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
  8. Проведена адаптация ЭКД экспериментальных образцов диодных лазеров согласно требованиям ЕСКД к технологическому оборудованию и техпроцессам.
  9. Проведена адаптация разрабатываемых техпроцессов в соответствии с технологическими возможностями и задачами ПНИ для проведения отдельных техпроцессов цикла изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров. Разработаны новые наиболее критические техпроцессы изготовления ЛД, процессы скрайбирования пластин гетероструктур на линейки и защиты сколотых зеркал резонаторов защитно-просветляющими покрытиями.
  10. Проведены дополнительные патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96
  11. Подана заявка на патент «Полупроводниковый лазер на основе эпитаксиальной гетероструктуры».

Новизна

  • Новизна разработанной Программы и Методики исследовательских испытаний заключена в методике и критериях отбора ресурсных образцов ЛД на основании результатов непродолжительного ресурсного теста в течение 100 часов. Обоснованность такой методики подкреплена результатами выборочных ресурсных испытаний в течение 500 часов.
  • Новизна сформулированных требований к технологическим процессам, разработанным лабораторным технологическим инструкциям изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров определяется комплексом определённых при реализации проекта важных параметров, включающих требования к помещениям, одежде, инструментам, комплектующим, таре, размещению технологического оборудования, требуемому технологическому оборудованию, оборудованию обеспечения и материальному обеспечению техпроцессов.
  • Новизна проведенных исследований экспериментальных образцов диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур методом сканирующей электронной микроскопии определяется использованием оригинальных методик исследований, в частности при проведении микроанализа проведено послойное удаление материала для выявления истинного состава многослойных покрытий, применена специальная ориентация детектора для повышения уровня сигнала от материала при микроанализе состава в узкой канавке.
  • Новизна требований к технологическим режимам изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров заключается в анализе технологических режимов изготовления разделительных канавок мезаструктур на лазерных гетероструктурах и режимов создания на них локальных диэлектрических покрытий для диэлектрической изоляции отдельных излучающих полосковых контактов и кластеров, сопоставлении полученных результатов с технологическими режимами и нахождением оптимальных параметров для решения задач ПНИ.

Все работы третьего этапа ПНИ выполнены в полном объеме в соответствии с Техническим заданием и Планом-графиком исполнения обязательств ПНИ по Соглашению о предоставлении субсидии от 30 июня 2014 г. № 14.575.21.0047.

Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки

Подана в ФИПС заявка на изобретение “Полупроводниковый лазер на основе эпитаксиальной гетероструктуры”, регистрационный номер №2015110597 от 25.03.2015.

Назначение и область применения результатов проекта

Мощные инжекционные лазеры и линейки лазерных диодов на их основе имеют широкий спектр практических применений: оптическая связь, запись информации, технология обработки материалов, накачка твердотельных лазеров, медицина, полиграфия, обеспечение безопасности движения на воздушном, автомобильном и других видах транспорта, системы навигации, слежения и наведения, оптическая локация, анализ экологических загрязнений, получение ультракоротких импульсов света, спектроскопия, оборонная техника и т. д.

Разрабатываемые изделия предназначены для применения в области:

  • прямой обработки материалов излучением диодных лазеров;
  • накачки твердотельных лазеров;
  • создания излучателей в новых диапазонах спектра, в частности в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, в ТГц диапазоне, излучателей на основе нелинейных эффектов (ВКР, генерация разностной частоты, параметрика);
  • медицинских применений в терапии, фотодинамической и светокислородной терапии, в оптической томографии, в микрохирургии и хирургии;
  • телекоммуникаций в открытом пространстве и космосе, дальнометрии и спецприменениях.

Эффекты от внедрения результатов проекта

  • Внедрение результатов ПНИ в производственные процессы технологии изготовления диодных лазеров и лазерных линеек.
  • Повышение эффективности производства и качества продукции Индустриального партнера.

Диодные лазеры являются основными изделиями современной квантовой электроники и лазерной техники. Проблема отвода от активного слоя полупроводникового лазера экстремальных по плотности непрерывных тепловых потоков, наряду с проблемой термоупругих напряжений, возникающих в лазерной гетероструктуре при монтаже кристалла на теплоотводящие элементы конструкции, определяют предельные ресурсные мощности и срок службы. Решение указанной проблемы приведёт к повышению эффективности производства и качества продукции Индустриального партнера.

Мировой рынок фотоники – 270 млрд. евро (данные 2008 г., прирост в 2005-2008 г.г. составляет 6,5% ежегодно). Европейский рынок фотоники – 55 млрд евро (данные 2008 г., прирост в 2005-2008 г.г. составляет 8% ежегодно). Европейская фотоника в 2008 г. – это 2517 компаний и 748 исследовательских организаций. Общее число занятых в области фотоники специалистов – 300 тыс. чел., только в Европе в 2005-2008 г.г. в область фотоники добавилось 40 тыс. новых рабочих мест (данные Optech Consulting, VDWВ). В 2010-2012 году объем мирового лазерного рынка составил около 6 миллиардов долларов, при этом около 70% приходится на лазерные диоды. Стоимость лазерных диодов непрерывно снижается с ростом объёмов производства, что стимулирует расширение сфер их применения. В России рынок лазерных диодов в 2003 году составил только 15% от общего объёма лазерного рынка, составляющего 120 млн. долларов.

Наличие соисполнителей

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН).


 

"Разработка технологии изготовления мощных полупроводниковых лазеров с улучшенными характеристиками на основе полупроводниковых наногетероструктур для технологических применений и диодной накачки». Этап 4.

Соглашение о предоставлении субсидии от 30 июня 2014 г. № 14.575.21.0047 шифр: «2014-14-576-0055-059»

Цель проекта

Создание высокоэффективных и надёжных диодных лазеров и лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур с возможно высокой мощностью излучения, высоким коэффициентом полезного действия (КПД), уменьшенной расходимостью излучения, узкой спектральной линией. Такие приборы будут использоваться для эффективной накачки твердотельных и газовых лазеров, в технологических лазерных системах, медицине, спецприменениях в космической и оборонной технике, для решения задач лазерного термоядерного синтеза

Основные результаты этапа

  • Разработана лабораторная технологическая инструкция изготовления экспериментальных образцов лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур.
  • Разработана ЭКД лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур;
  • Изготовлены экспериментальные образцы лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур в количестве 5 шт.
  • Проведена адаптированная ЭКД лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур к технологическому оборудованию.
  • Проведена адаптированная ЭКД лабораторная технологическая инструкция изготовления экспериментальных образцов лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур;
  • Разработана скорректированная номенклатура расходных материалов и контрольно-измерительного оборудования для изготовления прототипов и лазерных линеек для проведения исследовательских испытаний.

Новизна

  • Новизна сформулированных требований к технологическим процессам, разработанным лабораторным технологическим инструкциям изготовления экспериментальных образцов лазерных линеек определяется комплексом определённых при реализации проекта важных параметров, включающих требования к помещениям, одежде, инструментам, комплектующим, таре, размещению технологического оборудования, требуемому технологическому оборудованию, оборудованию обеспечения и материальному обеспечению техпроцессов.
  • Разработанная эскизная документация имеет элементы новизны, связанные с оригинальной конструкцией и технологией её изготовления.
  • Разработанные образцы имеют новый оригинальный дизайн в соответствии с новой оригинальной технологией изготовления и конструкцией.
  • Новизна требований к технологическим режимам изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров заключается в анализе технологических режимов изготовления разделительных канавок мезаструктур на лазерных гетероструктурах и режимов создания на них локальных диэлектрических покрытий для диэлектрической изоляции отдельных излучающих полосковых контактов и кластеров, сопоставлении полученных результатов с технологическими режимами и нахождением оптимальных параметров для решения задач ПНИ.
  • Новизна проведенной корректировки номенклатуры расходных материалов, инструментов, оснастки и контрольно-измерительного оборудования заключается во внедрении в технологию методов контроля параметров технологических процессов: внедрение измерения температуры лазерных линеек в вакуумной камере во время осаждения интерференционного многослойного покрытия позволяет с большей точностью контролировать параметры покрытий, а также предотвратить возможность термического повреждения зеркал резонаторов, что крайне важно для повышения выходной мощности и обеспечения ресурсной работы приборов.

Все работы четвертого этапа ПНИ выполнены в полном объеме в соответствии с Техническим заданием и Планом-графиком исполнения обязательств ПНИ по Соглашению о предоставлении субсидии от 30 июня 2014 г. № 14.575.21.0047.

Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки

В Государственном реестре изобретений Российской Федерации 31 марта 2016 г. зарегистрирован патент на изобретение № 2582302 «Полупроводниковый лазер на основе эпитаксиальной гетероструктуры».

Назначение и область применения результатов проекта

Мощные инжекционные лазеры и линейки лазерных диодов на их основе имеют широкий спектр практических применений: оптическая связь, запись информации, технология обработки материалов, накачка твердотельных лазеров, медицина, полиграфия, обеспечение безопасности движения на воздушном, автомобильном и других видах транспорта, системы навигации, слежения и наведения, оптическая локация, анализ экологических загрязнений, получение ультракоротких импульсов света, спектроскопия, оборонная техника и т. д.

Разрабатываемые изделия предназначены для применения в области:

  • прямой обработки материалов излучением диодных лазеров;
  • накачки твердотельных лазеров;
  • создания излучателей в новых диапазонах спектра, в частности в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, в ТГц диапазоне, излучателей на основе нелинейных эффектов (ВКР, генерация разностной частоты, параметрика);
  • медицинских применений в терапии, фотодинамической и светокислородной терапии, в оптической томографии, в микрохирургии и хирургии;
  • телекоммуникаций в открытом пространстве и космосе, дальнометрии и спецприменениях.

Эффекты от внедрения результатов проекта

  • Внедрение результатов ПНИ в производственные процессы технологии изготовления диодных лазеров и лазерных линеек.
  • Повышение эффективности производства и качества продукции Индустриального партнера.

Диодные лазеры являются основными изделиями современной квантовой электроники и лазерной техники. Проблема отвода от активного слоя полупроводникового лазера экстремальных по плотности непрерывных тепловых потоков, наряду с проблемой термоупругих напряжений, возникающих в лазерной гетероструктуре при монтаже кристалла на теплоотводящие элементы конструкции, определяют предельные ресурсные мощности и срок службы. Решение указанной проблемы приведёт к повышению эффективности производства и качества продукции Индустриального партнера.

Мировой рынок фотоники – 270 млрд. евро (данные 2008 г., прирост в 2005-2008 г.г. составляет 6,5% ежегодно). Европейский рынок фотоники – 55 млрд евро (данные 2008 г., прирост в 2005-2008 г.г. составляет 8% ежегодно). Европейская фотоника в 2008 г. – это 2517 компаний и 748 исследовательских организаций. Общее число занятых в области фотоники специалистов – 300 тыс. чел., только в Европе в 2005-2008 г.г. в область фотоники добавилось 40 тыс. новых рабочих мест (данные Optech Consulting, VDWВ). В 2010-2012 году объем мирового лазерного рынка составил около 6 миллиардов долларов, при этом около 70% приходится на лазерные диоды. Стоимость лазерных диодов непрерывно снижается с ростом объёмов производства, что стимулирует расширение сфер их применения. В России рынок лазерных диодов в 2003 году составил только 15% от общего объёма лазерного рынка, составляющего 120 млн. долларов.

Наличие соисполнителей

Соисполнителей нет.


 

"Разработка технологии изготовления мощных полупроводниковых лазеров с улучшенными характеристиками на основе полупроводниковых наногетероструктур для технологических применений и диодной накачки». Этап 5.

Соглашение о предоставлении субсидии от 30 июня 2014г. № 14.575.21.0047 шифр: «2014-14-576-0055-059»

Цель проекта

Создание высокоэффективных и надёжных диодных лазеров и лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур с возможно высокой мощностью излучения, высоким коэффициентом полезного действия (КПД), уменьшенной расходимостью излучения, узкой спектральной линией. Такие приборы будут использоваться для эффективной накачки твердотельных и газовых лазеров, в технологических лазерных системах, медицине, спецприменениях в космической и оборонной технике, для решения задач лазерного термоядерного синтеза

Основные результаты этапа

  • Разработана Программа и Методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур;
  • Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур;
  • Проведена корректировка ЭКД лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур по результатам проведенных исследовательских испытаний;
  • Разработаны предложения и рекомендации по реализации результатов ПНИ в реальном секторе экономики;
  • Разработана технико-экономическая оценка результатов ПНИ ;
  • Разработан проект Технического задания на ОКР по теме: «Организация опытного производства мощных одиночных лазерных диодов и линеек лазерных диодов»;
  • Изготовлены прототипы диодных лазеров и лазерных линеек по скорректированной ЭКД;
  • Проведены испытания прототипов диодных лазеров и лазерных линеек.

Новизна

  • Новизна Программы и Методик исследовательских испытаний экспериментальных образцов лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур заключается в разработанных оригинальных методиках измерений, в использованном наборе измерительного оборудования и перечне измеряемых параметров лазерных линеек, обеспечивающих их соответствие требованиям ТЗ;
  • Новизна при проведении исследовательских испытаний экспериментальных образцов лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур определяется выбором перечня измеряемых параметров, использованного измерительного оборудования и применённых оригинальных методик измерений в соответствии с разработанной Программой и Методиками исследовательских испытаний
  • Новизна при проведении корректировки ЭКД лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур по результатам проведенных исследовательских испытаний заключается в корректировке конструкции лазерной линейки опирающейся на результаты полученные на 4-м этапе включая результаты полученные на площадке Индустриального партнёра. Использованы оригинальные технологии монтажа лазерных линеек, которые адаптированы для монтажа лазерного кристалла в корпус типа C-S маунт
  • Новизна разработанных предложений и рекомендаций по реализации результатов ПНИ в реальном секторе экономики основана на анализе выходных параметров разработанных образцов лазерных линеек и потребностей рынка а изделиях базирующихся на лазерных линейках, включая двумерные матрицы и модули лазерных диодов;
  • Новизна разработанной технико-экономической оценки результатов ПНИ основана на применённом методе сравнения экономической эффективности изготовления одиночных мощных лазерных диодов и линеек лазерных диодов на базе одних и тех же активных элементов импортного производства при сборке указанных приборов за рубежом и в РФ;
  • Новизна разработанного проекта Технического задания на ОКР по теме: «Организация опытного производства мощных одиночных лазерных диодов и линеек лазерных диодов» заключается в сформулированных предложениях по адаптации полученных результатов ПНИ к условиям организации опытного производства на территории РФ;
  • Новизна изготовленных прототипов диодных лазеров и лазерных линеек по скорректированной ЭКД заключается в том, что разработанные конструкции лазерного диода и лазерной линейки адаптированы под отечественные теплоотводящие элементы, методы их обработки и контроля качества, они основаны на оригинальных технологиях металлизации и монтажа. Для лазерных линеек использованы корпуса международного стандарта типа C-S маунт адаптированные под технологическую базу Индустриального партнёра. В конструкции удалось почти полностью отказаться от драгметаллов, что значительно снижает стоимость изделий и повышает их конкурентоспособность по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами;
  • Новизна проведенных испытаний прототипов диодных лазеров и лазерных линеек обусловлена оригинальностью использованной Программы и Методик исследовательских испытаний экспериментальных образцов лазерных линеек на основе полупроводниковых наногетероструктур , разработанной на 5 этапе.

Все работы пятого этапа ПНИ выполнены в полном объеме в соответствии с Техническим заданием и Планом-графиком исполнения обязательств ПНИ по Соглашению о предоставлении субсидии от 30 июня 2014 г. № 14.575.21.0047.

Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки

В Государственном реестре изобретений Российской Федерации 31 марта 2016 г. зарегистрирован патент на изобретение № 2582302 «Полупроводниковый лазер на основе эпитаксиальной гетероструктуры» и патент на полезную модель «Полупроводниковый лазер на основе эпитаксиальной гетероструктуры» № 166001 от 21 октября 2016 г.

Назначение и область применения результатов проекта

Мощные инжекционные лазеры и линейки лазерных диодов на их основе имеют широкий спектр практических применений: оптическая связь, запись информации, технология обработки материалов, накачка твердотельных лазеров, медицина, полиграфия, обеспечение безопасности движения на воздушном, автомобильном и других видах транспорта, системы навигации, слежения и наведения, оптическая локация, анализ экологических загрязнений, получение ультракоротких импульсов света, спектроскопия, оборонная техника и т. д.

Разрабатываемые изделия предназначены для применения в следующих областях:

  • прямой обработки материалов излучением диодных лазеров;
  • накачки твердотельных лазеров;
  • создания излучателей в новых диапазонах спектра, в частности в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, в ТГц диапазоне, излучателей на основе нелинейных эффектов (ВКР, генерация разностной частоты, параметрические генераторы и преобразователи );
  • управляемого лазерного термоядерного синтеза.
  • медицинских применений в терапии, фотодинамической и светокислородной терапии, в оптической томографии, в микрохирургии и хирургии; оптической томографии;
  • активации химических реакций, в биотехнологиях;
  • телекоммуникаций в открытом пространстве и космосе, дальнометрии, сопровождения движущихся объектов, в спецприменениях.

Эффекты от внедрения результатов проекта

  • Внедрение результатов ПНИ в производственные процессы технологии изготовления диодных лазеров и лазерных линеек.
  • Повышение эффективности производства и качества продукции Индустриального партнера.

Диодные лазеры являются основными изделиями современной квантовой электроники и лазерной техники. Проблема отвода от активного слоя полупроводникового лазера экстремальных по плотности непрерывных тепловых потоков, наряду с проблемой термоупругих напряжений, возникающих в лазерной гетероструктуре при монтаже кристалла на теплоотводящие элементы конструкции, определяют предельные ресурсные мощности и срок службы. Решение указанной проблемы приведёт к повышению эффективности производства и качества продукции Индустриального партнера.

Мировой рынок фотоники – 270 млрд. евро (данные 2008 г., прирост в 2005-2008 г.г. составляет 6,5% ежегодно). Европейский рынок фотоники – 55 млрд евро (данные 2008 г., прирост в 2005-2008 г.г. составляет 8% ежегодно). Европейская фотоника в 2008 г. – это 2517 компаний и 748 исследовательских организаций. Общее число занятых в области фотоники специалистов – 300 тыс. чел., только в Европе в 2005-2008 г.г. в область фотоники добавилось 40 тыс. новых рабочих мест (данные Optech Consulting, VDWВ). В 2010-2012 году объем мирового лазерного рынка составил около 6 миллиардов долларов, при этом около 70% приходится на лазерные диоды. Стоимость лазерных диодов непрерывно снижается с ростом объёмов производства, что стимулирует расширение сфер их применения. В России рынок лазерных диодов в 2003 году составил только 15% от общего объёма лазерного рынка, составляющего 120 млн. долларов.

Наличие соисполнителей

Соисполнителей нет.

236