Материалы для проходных оптических элементов СО2-лазеров (96

условиям эксплуатации: такая методика измерений может быть использована для сравнения порогов ЛП различных материалов в одних и тех же условиях облучения. Порог ЛП, измеренный в большом пятне облучения, позволяет судить о лучевых нагрузках (плотности мощности или энергии излучения), не превышая которые, следует эксплуатировать ОЭ мощных лазеров.

3. ЛУЧЕВАЯ СТОЙКОСТЬ РЕАЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Стойкость оптических материалов к воздействию лазерного излучения при многократном облучении существенно ниже, чем при однократном. Это обусловлено эффектом накопления повреждений от облучения к облучению в результате необратимых изменений в материале. В отличие от порога ЛП, измеряемого при однократном облучении, в этом случае целесообразно говорить о пороге лучевой стойкости (ЛС) материала, определяемом как количество облучений с характерными длительностью и периодичностью (для импульсного режима – это длительность и частота следования импульсов, для непрерывного – это циклическое воздействие с характеристическими параметрами τS и τR) при заданной плотности мощности или энергии излучения, приводящих к разрушению материала. Эффект накопления повреждений обычно исследуется следующим образом: определяется порог ЛП материала при однократном облучении, затем лучевая нагрузка снижается в определенное число раз относительно порога разрушения и при этом определяется критическое количество лазерных воздействий, приводящих к видимому макроразрушению.

Типичная зависимость количества импульсов излучения N при заданной лучевой нагрузке q, воздействовавших на материал до появления результата, имеет вид падающей кривой. Такого рода зависимости, характерные для всех «усталостных» процессов, получены в ряде работ по изучению эффекта накопления повреждений в оптических материалах [3–5]. Механизмы накопления повреждений при лазерном воздействии существенно различаются для материалов различных классов – аморфных, кристаллических, полимеров и др. Общим является то, что ответственными за эффект накопления могут быть те продукты взаимодействия излучения с материалом, которые поглощают энергию излучения в результате линейного или же нелинейного

12

процесса. Необратимые изменения в кристаллах, приводящие к накоплению повреждений, могут инициироваться:

–многофотонной ионизацией матрицы в результате развития электронной лавины с последующим образованием точечных дефектов – межузельных атомов, вакансий;

–исходными поглощающими неоднородностями, которые при многократном облучении «разрастаются» в результате накопления необратимых изменений матрицы вблизи неоднородности и при достижении некоторого критического размера разрушаются в ходе теплового взрыва.

Для объяснения лазерного разрушения оптических материалов в последнее время активно привлекается кинетическая теория прочности твердых тел, в которой разрушение материала рассматривается как результат последовательных термофлуктуационных разрывов межатомных связей и закономерного накопления в материале несплошности. Данный механизм разрушения называют собственным. Известно, что при лазерном воздействии возникает флуктуация растяжения с последующим образованием зародышевой микротрещины. Этому предшествуют необратимые разрывы межатомных связей и достижение их некоторой критической концентрации. Время ее накопления и определяет долговечность (порог ЛС) материала.

Механизмами прямого воздействия лазерного излучения на межатомные связи в кристаллах могут быть, видимо, и процесс многофотонной ионизации матрицы, и образование разрывов в

области сильнопоглощающей неоднородности под действием термоупругих напряжений. Долговечность материала τ до появления разрушения можно описать формулой

τ = τ0 exp[(υ0 − γq) / kT ],

где υ0 – энергия активации процесса разрушения; γ – постоянная для данного материала, определяющая степень его структурного совершенства; q – лучевая нагрузка; константа τ0 = 10–13 с.

Долговечность τ = Nτи, т. е. определяется количеством облучений с длительностью τи одного импульса.

Формула связывает и природу материала (υ0), и степень его структурного совершенства (γ), и параметры облучения (q, N, τи). В целом собственный механизм лазерного разрушения прозрачных материалов объясняет разрушение и при однократном облучении (порог ЛП), и при многократном (ЛС), и размерный эффект.

13

4. РЕСУРС ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛАЗЕРОВ

Пороги ЛП и ЛС реальных материалов в общепринятом смысле связаны с их качеством, состоянием поверхности, необратимыми изменениями характеристик материала при лазерном воздействии, влиянием окружающей среды (в большинстве исследований – атмосферной влаги). В реальных условиях эксплуатации ресурс ОЭ определяется влиянием самых разнообразных факторов: крепления оптического элемента, способа его охлаждения, воздействия продуктов взаимодействия излучения с объектом облучения и т. п.

В такой ситуации имеет смысл говорить о максимально возможном уменьшении влияния различных факторов риска на ресурс ОЭ. Соответственно оно может быть достигнуто применением совокупности различных методов. В зависимости от того, какие задачи при этом решаются, эти методы можно условно разделить на расчетно-конструкторские, технологические, эксплуатационные и организационно-технические.

Расчетно-конструкторские методы

1. Защита от внешних воздействий. Под внешними воздей-

ствиями понимаются: попадание пыли, различного рода частиц на поверхность ОЭ, играющих роль сильнопоглощающих центров при лазерном воздействии; продуктов взаимодействия излучения с объектом облучения; воздействие атмосферной влаги, ухудшающей оптические характеристики материала; ударные случайные нагрузки и др.

Влияние этих факторов может быть уменьшено:

а) ограничением прямого доступа к ОЭ с помощью цилиндрических насадок или лучепроводов;

б) обдувом поверхностей ОЭ (при необходимости этим обеспечивается и охлаждение);

в) применением герметичного кожуха с силикагелем – осушителем (для защиты ОЭ из гигроскопичных материалов в перерыве между включениями лазера);

г) расположением объектов лазерного облучения, исключающим попадание продуктов воздействия на ОЭ;

14

д) применением диафрагм – диффузных отражателей для защиты места контакта ОЭ и оправы от попадания лазерного излучения, например при юстировке;

е) бесконтактной непрерывной очисткой поверхностей ОЭ от осаждающейся пыли (например, электростатическим способом).

Отметим, что по мере повышения выходных параметров мощных лазеров и совершенствования технологий изготовления ОЭ пыль и прочие микрочастицы, загрязняющие поверхности, существенно снижают ресурс ОЭ.

2. Крепление оптических элементов. Известны следующие способы крепления ОЭ: жесткая заделка (по цилиндрической боковой поверхности) и свободное закрепление (по плоской поверхности). В последнем случае крепление ОЭ осуществляется посредством оптического контакта или на прокладки из эластичных материалов или «мягких» металлов. Выбор конкретного способа крепления ОЭ зависит от коэффициента теплового расширения α материала. Для ОЭ из полупроводниковых кристаллов (α ≈ (6…8) 10–6 град–1), видимо, можно применять оптический контакт. Для ОЭ из хрупких ЩГК (α ≈ 40 10–6 град–1) это нежелательно. Эластичные материалы (резина) или «мягкие» металлы (индий) обеспечивают свободное расширение ОЭ при лазерном нагреве. Развязка от места крепления может быть осуществлена и технологическим способом: предложено лазерное окно, вокруг центральной части которого имеются две концентрические канавки на одной поверхности и одна канавка на противоположной – ее диаметр имеет промежуточную величину относительно первых двух. Канавки играют роль пружины.

3. Охлаждение оптических элементов. Целесообразность применения того или иного способа охлаждения ОЭ определяется конкретными характеристиками оптических материалов и параметрами лазерного облучения эксплуатации (по термическому разрушению и искажениями волноводного фронта излучения), а также из условия работы ОЭ в определенном допустимом температурном диапазоне (для полупроводников – до температуры, при которой происходит нелинейный рост коэффициента β или термохимические реакции на поверхности). В табл. 5 приведена расчетная допустимая мощность Р непрерывного лазерного излучения при умеренной лучевой нагрузке (≤ 0,5 кВт / см2) в зависимости от коэффициента объемного поглощения для двух основных материалов ИК-оптики.

15

В настоящее время наиболее распространенными способами обеспечения оптимального теплового режима работы ОЭ являются: охлаждение или подогрев периферии ОЭ проточной водой; обдув поверхностей ОЭ газом и комбинированный способ – одновременные охлаждение периферии и обдув газом.

Таблица 5

Допустимая мощность Р лазерного излучения при охлаждении поверхности естественной конвекцией воздуха

(h =10–3 Вт / (см2 град))

________________

* Допустимая разность температур между центром и периферией ОЭ.

Технологические методы

Необходимо обеспечить получение высококачественного материала (заготовки), проведение оптимальной обработки поверхностей при изготовлении ОЭ; их защиту от воздействия атмосферной влаги. На всех технологических этапах изготовления ОЭ конкретного назначения при определении конкретных требований к качеству материала, к обработке оптических поверхностей, покрытий необходимо руководствоваться результатами исследований лучевой прочности и стойкости ОЭ.

Технология изготовления ОЭ является одним из наиболее важных факторов, определяющих его ресурс. Здесь следует выделить три технологических момента: получение заготовок, обработка их в размер и обработка оптических поверхностей. Традиционные методы получения заготовок материала и обработки в размер предполагают раскол моноблока по плоскостям спайности, применение алмазных пил, токарную обработку. Цилиндрические поверхности ОЭ, как правило, обрабатывают-

16

ся только на крупнозернистых абразивах до 5–6-го классов шероховатости. Растрескивание ОЭ с торца, обусловленное дефектами (микротрещинами) такой обработки, наиболее часто наблюдается на практике. Достаточно небольшого перепада температуры, чтобы при лазерном нагреве произошло термическое инициирование развития первичных микротрещин. При прочих равных условиях ЩГК в большей степени склонны к трещинообразованию. Особое внимание следует уделять способам получения заготовок из этих кристаллов и их обработке в размере с использованием бездефектных методов, например обработки нитяной пилой.

Разрушение оптических поверхностей при лазерном воздействии является одним из основных препятствий на пути создания мощных лазеров. Стандартные методы (шлифовка и полировка) изготовления ОЭ приводят к образованию дефектного приповерхностного слоя, трещиноватого и механически напряженного. С целью удаления этого слоя разрабатывают способы глубокой шлифовки – полировки поверхностей, химического и ионного полирования, приводят высокотемпературный отжиг поверхности.

Эксплуатационные методы

Необходимы выработка требований по монтажу ОЭ, оперативный контроль за изменением свойств материала с целью определения состояния предразрушения, профилактическая чистка поверхностей ОЭ, оптимизация режима начального облучения ОЭ.

Особо важна оптимизация режима начального облучения ОЭ. Было обнаружено, что в режиме многократного облучения одного и того же места при допороговых лучевых нагрузках наблюдается эффект повышения порога ЛС поверхности. Он известен как эффект лазерной очистки или закалки поверхности. Повышение порога ЛС поверхности имеет место, когда начальное облучение происходит при лучевой нагрузке существенно ниже пороговой с последовательным повышением лучевой нагрузки до номинальной.

Организационно-технические мероприятия

К числу таких мероприятий следует отнести: установление и выполнение требований к помещениям, где эксплуатируются ОЭ лазеров, по уровню запыленности, влажности и другим фак-

17

торам; проведение консервационной защиты поверхностей ОЭ; а также правильные транспортировка и хранение ОЭ. Несмотря на очевидную необходимость выполнения указанных мероприятий, им не уделяется должного внимания при эксплуатации ОЭ отечественных лазеров. Особенно это относится к условиям консервации, хранения и транспортировки ОЭ. Широко распространены хранение и транспортировка ОЭ в бумаге или ткани (как это обычно делается для заготовок оптических материалов). Следы такой упаковки остаются на поверхности ОЭ и снижают его ресурс. Необходимо применять специальную тару, исключающую контакт оптических поверхностей в пределах светового диаметра с поверхностями тары.

Постоянно проводимые работы по установлению и устранению факторов, снижающих ресурс ОЭ мощных СО2-лазеров, позволили к настоящему времени существенно расширить диапазон мощностей пропускаемого ОЭ излучения. Имеются сообщения об использовании ZnSe уже в технологических лазерах мощностью 20 кВт [5]. Такой прогресс прежде всего обусловлен возможностью получения высококачественного ZnSe, полученного химическим осаждением из газовой фазы (методом CVD), который решает и проблему качества, и проблему размеров кристаллов. Для изготовления ОЭ отечественных СО2-лазеров мощностью 5 кВт и выше в основном применяются ЩГК, в частности монокристаллический KCl. Отметим, что этот материал в последнее время используется для изготовления выходных окон зарубежных СО2-лазеров мощностью 5 и 20 кВт. Поскольку существуют реальные возможности получения ИК-материалов с поглощением менее 10–5 см–1 и более высокой механической прочностью, назвать верхнюю границу их применимости в оптике мощных лазеров довольно сложно. При этом необходимо предъявлять жесткие требования к обработке поверхности ОЭ: она может существенно увеличить поглощение материалом энергии излучения (βпов ≥ 10–4). Относительно области применения линз в устройствах фокусировки лазерного излучения можно сказать, что условно она ограничена мощностью 5 кВт. При более высоких уровнях мощности излучения рекомендуется применять фокусирующие устройства на основе металлических зеркал.

Что касается ресурса ОЭ технологических СО2-лазеров мощностью более 5 кВт, то уровень (2000 ч и более), соответствующий требованиям эксплуатации обычного технологического

18

оборудования, в настоящее время не достигнут ни в зарубежном, ни в отечественном лазеростроении. Для СО2-лазеров номинальной мощностью 5 кВт, в которых используется ОЭ на основе ZnSe, ресурс составляет не менее 1000 ч, на основе KCl – 100 ч и более. При эксплуатации СО2-лазеров мощностью до 1 кВт отмечается необходимость периодической проверки и чистки ОЭ с интервалом 500…1500 ч в зависимости от конкретных условий эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наибольшее значение порогов ЛП при импульсном облучении имеют кристаллы BaF2, NaCl, KPC-5; при непрерывном – KCl, Nacl, GaAs. Пороги ЛП и ЛС реальных оптических материалов наряду с оптическими, механическими и тепловыми характеристиками материала ОЭ также определяются структурными дефектами, поглощающими энергию лазерного излучения, качеством обработки оптических поверхностей и необратимыми изменениями в материале при лазерном воздействии. Повышение порогов ЛП и ЛС реальных оптических материалов достигается технологическими методами. При определении конкретных требований к качеству материала и обработке оптических поверхностей необходимо руководствоваться результатами исследований ЛП и ЛС ОЭ.

Разнообразие факторов, определяющих надежную работу ОЭ в реальных условиях эксплуатации, обуславливает необходимость комплексного подхода к обеспечению требуемого ресурса ОЭ технологических СО2-лазеров. Необходимо применение совокупности различных методов: расчетно-конструкторских, технологических, эксплуатационных и организационно-технических.

Совершенствование технологий получения ИК-прозрачных материалов, способов обработки поверхностей ОЭ, учет факторов, снижающих ресурс ОЭ в реальных условиях эксплуатации, позволили существенно расширить диапазон мощности пропускаемого излучения. В настоящее время основные ИК-прозрач- ные материалы (ZnSe, KCl) применяются, в частности, для изготовления ОЭ зарубежных непрерывных технологических СО2-лазеров мощностью до 5 кВт и выше.

19

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Голубев В.С., Кокора А.Н., Ульянов В.А. Практические ас-

пекты применения ИК-прозрачных материалов в технологических СО2-лазерах // Препр. НИЦТЛ АН СССР. 1986. № 14.

2.Карлов Н.В., Сисакян Е.В. Оптические материалы для

CO2-лазеров // Изв. АН СССР. Сер. «Физическая». 1980.

Вып. 44. № 8. С. 1631–1638.

3.Ковалев В.И. Исследование механизма пробоя на поверхности материалов ИК-оптики под воздействием излучения импульсного СО2-лазера // ФИАН. 1982. Вып. 136. С. 51–117.

4.Карась В.Р. Перспективные материалы для окон СО2- лазеров // Обзор. информ. Сер. «Монокристаллы». М.: НИИТЭХИМ; ВНИИМ, 1978.

5.Ревинский Р.Е., Рогалин В.Е., Шершель В.А. Свойства и об-

ласти применения полупроводниковых монокристаллов германия // Изв. АН СССР. Сер. «Физическая». 1983. Вып. 47. № 2.

С. 406–409.

6.Шредер Г., Трайбер Х. Техническая оптика: Пер. с нем. М.: Техносфера, 2006.

20