![](/content/public/images/mephi-header-logo.png)
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
-
Сформулированы требования к технологическим условиям монтажа диодных лазеров, обеспечивающим решение задач, заданных ПНИ
-
Разработана лабораторная технологическая инструкции изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур.
-
Разработана эскизная конструкторская документация диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур.
-
Изготовлены экспериментальные образцы диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур.
-
Проведено исследование экспериментальных образцов диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
-
Сформулированы требования к технологическим режимам изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров с целью обеспечения требуемых выходных параметров.
-
Проведена корректировка номенклатуры расходных материалов, инструментов, оснастки и контрольно-измерительного оборудования для проведения отдельных технологических процессов цикла изготовления экспериментальных образцов диодных лазеров.
Новизна
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
- Разработана Программа и Методики исследовательских испытаний диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур.
- 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.
- Проведены экспериментальные исследования по установлению закономерностей влияния режимов монтажа на выходные характеристики режимов экспериментальных образцов диодных лазеров.
- 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.
- 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.
- Скорректирована ЭКД конструкции диодных лазеров по результатам проведенных исследовательских испытаний. Разработанная и скорректированная ЭКД является новой и оригинальной.
- Проведено исследование экспериментальных образцов диодных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
- Проведена адаптация ЭКД экспериментальных образцов диодных лазеров согласно требованиям ЕСКД к технологическому оборудованию и техпроцессам.
- 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.
- Проведены дополнительные патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96
- 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.