УДК 621.375.826(075.8) ББК 32.86-5 Г621
Рецензенты: Ю.В. Богачев, В.И. Дюжиков
Голубенко Ю.В., Богданов А.В., Иванов Ю.В.
Г621 Материалы для проходных оптических элементов СО2- лазеров: Учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Бау-
мана, 2007. – 20 с.
Описаны основные кристаллические материалы, имеющие прозрачность в ИК-области, оценена их лучевая прочность, пороги разрушения и лучевая стойкость. Рассмотрены методы их определения. Даны рекомендации по применению материалов для проходной оптики в зависимости от мощности излучения СО2-лазеров.
Для студентов, изучающих лазерную технику.
УДК 621.375.826(075.8) ББК 32.86-5
Учебное издание
Юрий Владимирович Голубенко Александр Владимирович Богданов Юрий Владимирович Иванов
Материалы для проходных оптических элементов СО2-лазеров
Редактор А.В. Сахарова Корректор О.В. Калашникова
Компьютерная верстка И.А. Марковой
Подписано в печать 30.08.07. Формат 60×84/16. Бумага офсетная.
Печ. л. 1,25. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,05. Тираж 100 экз.
Изд. № 3. Заказ №
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская, 5
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007
2
Возможности широкого применения СО2-лазеров в промышленности и повышения их выходных параметров ограничены в настоящее время, в частности, низкими надежностью и ресурсом оптических элементов (ОЭ), используемых в качестве выходных окон, полупрозрачных зеркал и линз. Несмотря на интенсивно проводимые работы по повышению ресурса ОЭ лазеров, этот эксплуатационный параметр все еще не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к промышленному технологическому оборудованию.
1. МАТЕРИАЛЫ, ПРОЗРАЧНЫЕ В ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ
Для изготовления ОЭ технологических СО2-лазеров в настоящее время применяют два основных класса материалов, прозрачных для электромагнитного излучения длиной волны 10,6 мкм: полупроводники и ионные кристаллы.
Выбор материала для пропускания лазерного излучения прежде всего сводится к поиску материала с низким поглощением. Сравнивая характеристики полупроводниковых и ионных кристаллов, отметим, что первые обладают хорошими теплофизическими и механическими свойствами. Однако в этих кристаллах при тепловом воздействии излучения происходит нелинейный рост коэффициента поглощения β материала, приводящий к взрывообразному развитию тепловой неустойчивости. Возрастание коэффициента β с ростом температуры полупроводника начинается для германия Ge с 50 °С; для соединений
CdTe, GaAs, ZnSe – с 200…300 °С. Для полупроводников коэф-
фициент искажений волнового фронта излучений χ в основном определяется величиной dn/dT (изменением коэффициента преломления в зависимости от температуры). Малое изменение коэффициента преломления при колебаниях температуры харак-
3
терно для селенида цинка ZnSe. Мощность непрерывного лазерного излучения, проходящего через ОЭ с сохранением дифракционной расходимости, для полупроводников с коэффициентом β 10–2…10–3 см–1 составляет 0,1…3 кВт. В то же время мощность излучения, пропускаемого ОЭ без термического разрушения, для ZnSe составляет 5,4 кВт, для GaAs – 2,3 кВт. Недопустимые искажения волнового фронта излучения ограничивают применение полупроводниковых кристаллов для пропускания излучения мощных СО2-лазеров. Полупроводники технологичны в оптической обработке; по своим механическим свойствам – разрушающему напряжению σс, твердости материала по отношению к твердости хлористого натрия Н – они близки к стеклам, что позволяет получать ОЭ высокого качества. Однако с большим значением показателя преломления этих материалов связаны значительные потери энергии излучения на отражение, поэтому в зависимости от назначения ОЭ на него необходимо наносить либо просветляющие, либо светоделительные покрытия. Стоимость полупроводников на порядок и более выше, чем ионных кристаллов. Применение полупроводников для изготовления крупногабаритных ОЭ также сильно ограничивает технологические возможности получения высококачественных кристаллов соответствующего размера.
Ионные кристаллы, в частности щелочно-галоидные (ЩГК), обладают более низким коэффициентом поглощения, чем полупроводники. Низкие потери на отражение позволяют применять ЩГК для изготовления выходных окон без просветляющих покрытий. Решена и проблема получения кристаллов больших размеров. Известными недостатками ЩГК являются: низкая механическая прочность, склонность к хрупкому разрушению по плоскостям спайкости, гигроскопичность. У ионных кристаллов величина dn/dT отрицательна, а остальные члены в выражении для коэффициента χ положительны, коэффициент искажений волнового фронта излучения у этих материалов в 10–100 раз меньше, чем у полупроводников. Применение ЩГК позволяет значительно расширить диапазон мощностей лазерного излучения с точки зрения сохранения его расходимости. ЩГК с коэффициентом β ≤ 5 10–4 см–1 пропускают с сохранением дифракционной расходимости непрерывное излучение мощностью 50…60 кВт. Применение ЩГК ограничивает низкая механическая прочность: возможно термическое разрушение
4
при лазерном воздействии; критическая мощность излучения для них составляет 5,9 кВт.
В настоящее время существуют широкие возможности совершенствования технологий получения некоторых ИК-ма- териалов со значениями коэффициентов поглощения, близкими к предсказываемым теорией. Модель идеального материала, поведение которого при тепловом воздействии лазерного излучения рассматривается в рамках теории термоупругости, целесообразно использовать при выборе оптимального с точки зрения термического разрушения и искажений волнового фронта излучения теплового режима работы ОЭ.
Реальные оптические материалы обладают значительным количеством структурных дефектов: включениями инородной фазы, неоднородностями состава и пр. Существенно изменяют характеристики материала оптическая обработка, воздействия лазерного излучения и окружающей среды. Это обусловило необходимость экспериментально исследовать стойкость реальных материалов при лазерном воздействии.
2. ЛУЧЕВАЯ ПРОЧНОСТЬ РЕАЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Общепринятой характеристикой стойкости реального оптического материала к воздействию мощного лазерного излучения является порог разрушения – порог лучевой прочности (ЛП). Порог ЛП определен как плотность энергии, Дж/см2, или мощности, Вт/см2, лазерного излучения, при которых происходят необратимые изменения характеристик материала за определенное время воздействия. Реально сложилось так, что в качестве порога ЛП обычно принимают ту лучевую нагрузку, при которой происходит разрушение материала при однократном облучении. Критерием разрушения материала считается появление повреждений, видимых:
а) невооруженным глазом; б) под микроскопом; в) в поляризованном свете;
г) при просвечивании зондирующим излучением, например гелий-неонового лазера.
5
Признаками повреждения материала являются:
а) появление трещин проплава, кратеров испарения материала;
б) возникновение плазменной вспышки в области облучения;
в) изменение амплитуды прошедшего через материал импульса излучения;
г) изменение величины светорассеяния основного или зондирующего излучения.
Отметим, что лазерное разрушение реальных оптических материалов не имеет четко выраженного порогового характера. При измерениях определяют ту лучевую нагрузку, при которой разрушение материала происходит с вероятностью, не меньшей 0,5. Эту нагрузку и называют порогом ЛП. К тому же исследователи лазерного разрушения материалов располагают, как правило, маломощными лазерами, поэтому фокусировка излучения в объем или на поверхность материала в пятно диаметром 5…1000 мкм является типичным способом определения повреждающих материалов лучевых нагрузок. При импульсном облучении характеристическое время воздействия излучения на материал – длительность одного импульса. При непрерывном облучении целесообразно брать либо время установления стационарного теплового состояния образца τS, либо время распространения радиального потока тепла от границы облучаемой области образца до его торца τR. Для однотипности, воспроизводимости и сопоставимости результатов измерений порогов ЛП обычно применяют одномодовые лазеры с гауссовым профилем пучка или принимают специальные меры для получения равномерного распределения интенсивности излучения по пятну.
Изложенный подход прежде всего позволил определить механизмы лазерного разрушения оптических материалов при импульсном облучении. Существует два основных механизма разрушения:
а) разрушение на сильнопоглощающих неоднородностях структуры материала;
б) развитие электронной лавины вследствие ударной ионизации.
Механизм разрушения на поглощающих включениях связан с разогревом включений лазерным излучением, который может
6