РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ КВАНТОВО-КАСКАДНЫХ ЛАЗЕРОВ СРЕДНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ
Руководитель
Егоров Антон Юрьевич, доктор физико-математических наук,
член-корр. РАН, профессор факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники
Работа выполняется при поддержке МинОбрНауки РФ в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014−2020 годы», шифр 2016-14-579-0009-217, соглашение о предоставлении субсидии от 03 октября 2016 г. № 14.578.21.0204 (Уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI57816X0204)
УДК: 535:621.373.8 535:621.375.8
ГРНТИ: [29.33.15; 29.19.03; 29.35.47]
Код международной классификации: [02.10.UK; 01.03.UK]
Индустриальный партнер: Акционерное Общество «ОКБ-Планета»,
г. Великий Новгород
Цель проекта

Исследование и разработка комплекса научно-технических и технологических решений, направленных на создание базовой технологии синтеза методом молекулярно-пучковой эпитаксии и базовой технологии изготовления кристалла одномодового квантово-каскадного лазера средней инфракрасной области спектра на длинах волн 7.5±1 мкм с целью создания квантово-каскадных лазеров среднего инфракрасного диапазона для применения их в клинической медицине при неинвазивной диагностике заболеваний

На третьем (заключительном) этапе ПНИЭР «Разработка технологии создания квантово-каскадных лазеров среднего инфракрасного диапазона для медицинских применений» Университетом ИТМО получены следующие основные результаты:
Разработана лабораторная технология изготовления методом молекулярно-пучковой эпитаксии полупроводниковых гетероструктур квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм
Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов кристалла квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм, работающего в одномодовом режиме лазерной генерации, по разработанной Программе и методикам исследовательских испытаний
Разработана лабораторная технология изготовления методом молекулярно-пучковой эпитаксии полупроводниковых гетероструктур квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм
Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов кристалла квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм, работающего в одномодовом режиме лазерной генерации, по разработанной Программе и методикам исследовательских испытаний
Разработан проект технического задания на ОКР по теме: «Разработка лазерного модуля на основе квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм»
Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов кристалла квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм, работающего в одномодовом режиме лазерной генерации, по разработанной Программе и методикам исследовательских испытаний
По результатам работ в 2018 году опубликовано 3 научных статьи в реферируемых журналах, принято участие в работе 3 научных конференциях с докладом, подана 1 заявка на патент РФ и 1 заявка на регистрацию программы ЭВМ
Изготовлены лабораторные образцы кристалла квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм, работающего в одномодовом режиме лазерной генерации
Будущее предназначение продукции
Сенсорные устройства и устройства детектирования
Основные области применения разработанных технологических подходов к созданию квантово-каскадных лазеров должный быть направлены на создание лазерных модулей, в том числе лазерного модуля с перестраиваемой длиной волны излучения, а так же на проведение работ по расширению диапазона рабочей длины волны квантово-каскадных лазеров и покрытий максимально возможного диапазона от 4 до 300 мкм. Такие лазерные модули с уверенностью смогут найти свое применение в следующих сферах:

  • контроль технологических процессов, обнаружение химических отравляющих веществ, токсичных промышленных материалов
  • безопасность (детектирование взрывчатых и наркотических веществ, датчики присутствия человека, системы обнаружения вторжения на объект, cистемы противодействия ИК-средствам и системы наведения, датчики для развертывания в беспилотных летательных аппаратах)
  • детектирование состояния окружающей среды (мониторинг загрязняющих веществ в воздухе, воде, измерения выбросов парниковых газов)
  • медицина и биология (анализ крови, выдыхаемого воздуха, газовых линий в медицинских учреждениях и т.д.)
  • транспорт (при разработке двигателей внутреннего сгорания: оптимизация мощности двигателей, уменьшение вредных выбросов двигателей; контроль процессов сгорания в реактивных двигателях)
Планируемый результат
Впервые в РФ разработана технология эпитаксиального роста гетероструктур квантово-каскадных лазеров средней инфракрасной области спектра на длинах волн 7.5±1 мкм методом молекулярно-пучковой эпитаксии
Впервые в РФ созданы экспериментальные образцы гетероструктур квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм
Впервые в РФ созданы экспериментальные образцы кристалла квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм, работающего в одномодовом режиме лазерной генерации
Разработан проект Технического задания на опытно-конструкторскую работу по теме: «Разработка лазерного модуля на основе квантово-каскадного лазера с длиной волны генерации 7,5±1 мкм»
Список опубликованных статей за три этапа:

  • Babichev A. V. et al. Room Temperature Lasing of Multi-Stage Quantum-Cascade Lasers at 8 μm Wavelength // Semiconductors. – 2018. – Т. 52. – №. 8. – С. 1082-1085
  • Novikov I. I. et al. The concept for realization of quantum-cascade lasers emitting at 7.5 μm wavelength // Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing, 2017. – Т. 929. – №. 1. – С. 012082
  • Babichev A. V. et al. Growth and optical characterization of 7.5 μm quantum-cascade laser heterostructures grown by MBE // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – Т. 1124. – №. 4. – С. 041029
  • Babichev A. V. et al. Room Temperature Lasing of Multi-Stage Quantum-Cascade Lasers at 8 μm Wavelength // Semiconductors. – 2018. – Т. 52. – №. 8. – С. 1082-1085
  • Babichev A. V. et al. Quantum-cascade lasers of mid-IR spectral range: epitaxy, diagnostics and device characteristics // EPJ Web of Conferences. – EDP Sciences, 2018. – Т. 195. – С. 04001
Список патентов за три этапа:

  • Патент РФ на полезную модель «Гетероструктура квантово-каскадного лазера» № 181198, дата приоритета 27.12.2017
  • Заявка в ФИПС на полезную модель «Кристалл перестраиваемого квантово-каскадного лазера» рег. № 2018145470, дата приоритета 21.12.2018
  • Заявка в ФИПС на регистрацию программы ЭВМ «Программа для моделирования активной области и протекающего через неё тока квантово-каскадного лазера среднего инфракрасного диапазона «QCL Simulator v. 1.0»», дата приоритета 21.12.2018
Список выступлений на конференциях за три этапа:

  • Колодезный Е.С. Способы оптимизации волноводов квантово-каскадного лазера средней инфракрасной области спектра излучения//Сборник трудов ФизикА.СПб/2016 - 2016. - С. 215-217
  • Курочкин А.С. и др. Генерация квантово-каскадных лазеров на длинах волн излучения 7-8 мкм//Тезисы докладов международной молодёжной конференции ФизикА.СПб - 2017. - С. 254-255
  • Бабичев А.В. и др. Квантово-каскадные лазеры спектрального диапазона 5-10 мкм: эпитаксия и диагностика //Тезисы докладов XIII Российской конференции по физике полупроводников - 2017. - С. 254-255
  • Егоров А. Ю. и др. Квантово-каскадные лазеры среднего ИК-диапазона: изготовление, диагностика и приборные характеристики. Труды XXII международного симпозиума «Нанофизика и Наноэлектроника», 12 – 15 марта 2018 г., Нижний Новгород. Изд. Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского, 2018, Приглашенный. Т.2. стр. 606-607
  • Babichev A. V. et. al. Growth and optical characterization of 7.5 μm quantum cascade laser heterostructures grown by MBE. 5th International School and Conference "Saint-Petersburg OPEN 2018", 2–5 April, 2018, Saint-Petersburg, Russia, pp. 211-212
  • Babichev A. V. et. al. Quantum-cascade lasers of mid-IR spectral range: epitaxy, diagnostics and device characteristics. 3rd International Conference Terahertz and Microwave Radiation: Generation, Detection and Applications (TERA - 2018), 22 – 25 October, 2018, Nizhny Novgorod, Russia

Работа выполняется при поддержке МинОбрНауки РФ в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014−2020 годы», шифр 2016-14-579-0009-217, соглашение о предоставлении субсидии от 03 октября 2016 г. № 14.578.21.0204 (Уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI57816X0204)
Работа выполняется на факультете лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО.
Дата начала: 03.10.2016 г.
Дата окончания: 31.12.2018 г.
Приоритетные направления развития РФ: Индустрия наносистем
Критическая технология РФ: Нано-, био-, информационные, когнитивные технологии
Приоритетные направления развития Университета ИТМО: Оптика и фотоника