Разработка технологии и создание промышленного

№Р16-031 Машкосм
РЕФЕРАТ-ПРЕЗЕНТАЦИЯ
Акционерное Общество «Лыткаринский завод оптического стекла»
(АО «ЛЗОС»)
Разработка технологии и создание промышленного производства высокоточных крупногабаритных активных элементов
из фосфатного стекла нового поколения для оптических каналов
сверхмощных лазерных термоядерных комплексов
№
Фамилия, имя, отчество, ученая степень и звание, должность по основному месту работы.
1.
Игнатов Александр Николаевич – заместитель генерального директора главный инженер АО ЛЗОС, руководитель работы.
2.
Головатый Алексей Владимирович, ведущий инженер АО ЛЗОС.
3.
Патрикеев Алексей Павлович, кандидат экономических наук генеральный директор АО ЛЗОС.
4.
Патрикеев Владимир Евгеньевич, начальник КТБ АО ЛЗОС.
5.
Понин Олег Викторович, заместитель начальника НПК-95, главный конструктор направления - начальник отделения 22 АО ЛЗОС.
6.
Деркач Владимир Николаевич, кандидат физико-математических наук,
начальник научно-исследовательской лаборатории ИЛФИ ФГУП
«РФЯЦ-ВНИИЭФ».
7.
Кошечкин Сергей Викторович, научный сотрудник ИЛФИ ФГУП
«РФЯЦ-ВНИИЭФ».
8.
Шагаев Александр Николаевич, главный инженер ИЛФИ ФГУП «РФЯЦВНИИЭФ».
9.
Попов Сергей Викторович, доктор технических наук, доцент, начальник
Управления по НИОКР и инновационному развитию АО «Швабе».
10. Курунов Роман Федорович, доктор физико-математических наук, заместитель директора АО «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова».
Проблема создания энергетических комплексов будущего на основе управляемого термоядерного синтеза, имеющих ту же природу, что и процессы, происходящие в момент взрыва в термоядерных зарядах, может быть решена с помощью
создания сверхмощных лазерных установок.
В этой связи получение принципиально нового уровня энергии в лазерном
излучении - мегаджоульной энергии открывает качественно новые возможности
создания технологий ХХI века, включая управляемые термоядерные, оборонные, а
также и уникальные исследования в таких областях как астрофизика, геофизика,
рентгеновская и гамма-дефектоскопия, протонная радиография.
Работы по созданию мегаджоульных лазерных установок являются национальными приоритетами инновационного развития энергетики и вооружений в США, России, Евросоюзе и Китае. В настоящее время лидером в создании таких технологий является США. Для создания и успешного развития этого
направления необходимо иметь современную отечественную промышленную базу
изготовления оптических элементов нового поколения для усилительных модулей
сверхмощных лазерных установок, независимую от импортных поставок. Этой
продукции нет и не может быть на свободном коммерческом рынке.
Ключевым элементом энергетической части усилительных модулей сверхмощных лазерных установок являются активные элементы (АЭ) из неодимового
фосфатного стекла, которые используют способность ионов неодима, находящихся в матрице стекла, получать и накапливать энергию от света ламп накачки, переходя в возбужденное состояние, и отдавать ее проходящему когерентному лазерному излучению, многократно его усиливая.
Разработка нового поколения АЭ, существенно повышающих эффективность преобразования энергии света в добавленную энергию лазерного излучения
и создание их промышленного производства является прорывным достижением в
отечественной оптической отрасли, обеспечивающим приоритет страны в развитии сверхмощных лазеров.
Усиление энергии исходного лазерного излучения в АЭ обеспечивается
масштабированием апертуры пучка излучения к размеру АЭ, установленного в
усилительных каналах под углом Брюстера (Рис. 1), и многократным прохождением лазерного излучения через АЭ.
При этом происходит наиболее полная передача запасенной в АЭ от ламп
накачки энергии проходящему лазерному излучению.
Рис. 1. Принципиальная схема усиления
лазерного излучения
на основе активных
элементов из фосфатного стекла, активированного неодимом.
Предельное значение энергии, которая может передаваться импульсному лазерному излучению при его прохождении через АЭ, ограничено рядом критических факторов, в том числе тепловой деформацией АЭ, ведущей к искажению
волнового фронта проходящего лазерного излучения и лучевой прочностью материала АЭ.
1
Эти обстоятельства формируют жесткие требования к оптическим и физикохимическим свойствам активированного неодимом фосфатного стекла, точности и
качеству обработки рабочих поверхностей АЭ, а также оптимальным габаритным
размерам АЭ, чтобы обеспечить достижение максимального повышения уровня
энергии лазерного излучения без разрушения АЭ.
Создание новых типов АЭ на уровне современных достижений оптической
науки и передовых научно-технических возможностей их практической реализации в объемах промышленного производства является прорывным достижением в отечественной оптической науке и технике.
Научные исследования, разработка технических решений, а также их практическая реализация на Лыткаринским заводе оптического стекла (АО «ЛЗОС»)
выполнены авторами на базе ОКР «Разработка состава и технологии высокоэффективного неодимого фосфатного стекла с целью получения крупногабаритных
активных элементов для мощных лазерных систем», шифр «Неодим».
Рис. 2. Установка «Луч» в
чистом помещении площадью 600 кв. м для отработки научных и технических решений лазерных
систем с мегаджоульным
уровнем энергии.
Исследованиями по авторским методикам на установке «Луч» (Рис. 2) разработаны оптические, механические, конструктивные и эксплуатационные характеристики новых типов АЭ, обеспечивающие максимальное возможное усиление и
минимальные искажения проходящего лазерного излучения.
Рис. 4. Заготовка из стекла КНФС
для изготовления крупногабаритРис.3 Технологические линии, разработан- ного активного элемента усиленые для варки, отлива и отжига нового фос- ния лазерного излучения, с макфатного стекла– КНФС.
симальными
размерами
до
1000×600×80 мм.
Для обеспечения разработанных характеристик новых типов АЭ были созданы: новый химический состав фосфатного стекла, активированного неодимом
(стекло КНФС), специальные новые технологии варки, отлива и отжига стеклоза2
готовок, обеспечивающие заданную структуру и бездефектность оптического элемента, из которых построены три технологические линии (Рис.3) непрерывного
производства крупногабаритных стеклозаготовок (Рис.4).
Для максимального снижения искажений, прошедшего через АЭ волнового
фронта когерентного лазерного излучения, и связанных с ними потерь энергии,
разработаны новые технологии и технологическое оборудование - для сборки/склейки АЭ с защитой от самопроизвольной генерации излучения и для высокоточной обработки крупногабаритных сборных АЭ и получения равномерной
высококачественной плоской оптической поверхности методами непрерывного
шлифования и полирования (с допустимым отклонением по Rg менее 4 Å)
(Рис.5).
Рис.5. Разработанная технология и оборудование для высокоточного формообразования оптических поверхностей
крупногабаритных АЭ (810×435×42
мм) на 3-х позиционном роторном столе диаметром 4-е метра методом непрерывного полирования.
Рис.6. Разработанный исследовательский стенд полно апертурного контроля
оптических характеристик АЭ (контроля формы поверхности АЭ и искажений, прошедшего через АЭ волнового
фронта).
Создана гамма специального контрольного оборудования, разработаны авторские методики для проверки оптических характеристик АЭ, включая паспортизацию качества обработки рабочих поверхностей и параметров искажения волнового фронта, прошедшего через АЭ (Рис. 6).
Управление и контроль технологическими режимами и межоперационный
контроль качества осуществляется на базе цифровых технологий в реальном времени.
Достигнутые авторами успехи в создании новых типов АЭ (в том числе,
различной формы и назначения) стали результатом многолетних исследований и
разработок в области оптических материалов, конструкций оптических компонентов АЭ и технологий их производства. Изготавливаемые АЭ отвечают самым высоким требованиям и предназначены для оптических каналов усиления лазерного
излучения.
Значение результатов для практики: Создана современная научная и промышленная база и освоено серийное производство крупногабаритных АЭ нового
поколения размерами 810х435х42 мм из стекла марки КНФС (Рис. 8), обеспечивающих повышение коэффициента усиления энергии лазерного излучения в
3
элементе на 16% по отношению к аналогам, а в усилительных каналах лазерной установки (Рис. 7) – повышение до 2-х раз.
Достигнутые оптические характеристики АЭ по ряду параметров превосходят аналоги ведущих зарубежных фирм (LG770 «SCHOTT», LHG8 «HOYA»), а
именно сечение стимулированного излучения, показатели поглощения на длинах
волн λ=583 нм (мм-1) и λ=1054 нм (мм-1) (улучшены на 10%), искажение прошедшего через АЭ волнового фронта (менее 90 нм - отклонение прошедшей волны от
плоской), шероховатость рабочих поверхностей АЭ (не более 4 ангстрем по Rq).
Рис.7. 4-х канальная секция усилительного блока лазерной установки.
Рис.8. Крупногабаритный активный
элемент (АЭ) нового поколения.
Объемы внедрения: На Лыткаринском заводе оптического стекла (АО
ЛЗОС, Московская обл.) построено и с 2014 года введено в эксплуатацию производство с полным технологическим циклом изготовления АЭ различных типов, в
том числе дисковых и стержневых, мощностью до 1500 шт./год и объемом до 2,0
млрд. руб.
Для нового производства разработано и внедрено 27 ед. уникального технологического и 7 ед. уникального метрологического оборудования, 18 основных
нормативно-технологических документов и создано 120 рабочих мест.
Достигнутый социальный и экономический эффект от использования
результатов работы: Создан инновационный продукт – сборный активный элемент (АЭ) нового поколения для многократного усиления энергии лазерного излучения, который является новой элементной базой оптических систем усилительных блоков сверхмощных импульсных лазерных установок.
Разработаны новые технологии и оборудование для промышленного производства и метрологического контроля активных элементов (АЭ) нового поколения.
Созданное высокотехнологичное промышленное производство АЭ позволяет обеспечить изготовление АЭ нового типа для отечественных лазерных установок, в том числе мегаджоульного уровня, не уступающее по энергетике западным
аналогам, создавать отечественные управляемые термоядерные технологии, совершенствовать лазерное вооружение и разрабатывать технологии XXI века.
В 2015 году для предприятий: ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, ФГУП РФЯЦВНИИТФ, НИИ «Полюс» поставлено новых активных элементов на 808,5 млн. руб
Практические результаты работы защищены 11-ю российскими и зарубежными патентами, опубликованы в ведущих рейтинговых изданиях.
4