Материал: Материалы для проходных оптических элементов СО2-лазеров (96

сопровождаться фазовыми переходами (плавление, испарение) как внутри включений, так и в матрице вблизи них, а также возникновением термоупругих напряжений. Подтверждением этой модели разрушения служит локальный характер повреждений – они имеют вид отдельных, хаотически расположенных очагов разрушения.

Развитие электронной лавины вследствие ударной ионизации материала в настоящее время рассматривается в качестве основного механизма разрушения идеального (свободного от поглощающих неоднородностей) оптического материала. Этот вид разрушения и ограничивает порог ЛП материалов. Его действие, очевидно, можно наблюдать в наиболее совершенных материалах. Однако и в совершенных материалах концентрация поглощающих дефектов может достигать 109 см–3. В связи с этим высокие пороги ЛП (1010…1011 Вт/см2), характерные для данного механизма разрушения, наблюдаются в объемах порядка 10–10…10–9 см3, получаемых при острой фокусировке излучения. При больших объемах взаимодействия с материалом порог ЛП определяется и структурными дефектами, играющими роль поглощающих неоднородностей.

Представление о механизмах разрушения оптических материалов при тепловом воздействии непрерывного излучения до недавнего времени в основном базировалось на теоретических (в рамках теории термоупругости) исследованиях. Предполагается, что разрушение ОЭ лазера происходит при достижении действующим на торце элемента растягивающим термоупругим напряжением предела прочности материала. К разрушению ОЭ из полупроводниковых кристаллов может привести развитие тепловой лавины в результате нелинейного роста коэффициента поглощения при лазерном нагреве материала. В последнее время для объяснения причин разрушения ОЭ из пластичных ЩГК используется модель пластического течения материала при тепловом воздействии излучения; например, для ОЭ из полупроводниковых кристаллов (в частности, для ZnSe) термохимические реакции, протекающие на поверхности ОЭ, приводят к увеличению коэффициента поглощения материала.

Исследования ЛП оптических материалов позволили не только определить основные механизмы их разрушения, но и получить информацию об основных закономерностях этих процессов. К числу наиболее значительных достоверных практических результатов этих исследований следует отнести:

7

1)установление существенного (в зависимости от способа оптической обработки) различия между порогами ЛП объема и поверхности ОЭ. Поверхность является наиболее слабым местом ОЭ. Различие в порогах ЛП объема и поверхности свидетельствует о том, что существует множество различных по качеству оптических материалов и элементов (табл. 1). Это определило пути повышения порогов ЛП ОЭ лазеров: получение материала с более низким поглощением, высокой механической прочностью и структурной однородностью, а также совершенствование старых и разработку новых технологий обработки поверхностей ОЭ;

2)обнаружение размерного эффекта – зависимости порога ЛП от размера пятна облучения. Суть его состоит в том, что с увеличением размера пятна облучения порог ЛП материала снижается (табл. 2). Это обусловлено наличием в материале поглощающих включений с определенным распределением по объему материала. При больших пятнах облучения резко возрастает вероятность попадания в область облучения дефектов, для которых характерен низкий порог ЛП. Размерный эффект известен как для объема оптического материала, так и для поверхности, как при импульсном режиме облучения, так и при непрерывном. Отсутствие размерного эффекта свидетельствует о статической однородности оптического материала;

3)установление влияния модового состава и флуктуаций мощности лазерного излучения на пороги ЛП оптических материалов. В частности, при увеличении числа продольных и поперечных мод порог ЛП материала существенно снижается.

Взависимости от модового состава излучения порог ЛП оптического материала снижается в 4–100 раз по сравнению со значениями, получаемыми при использовании одномодового лазера.

Предварительная пластическая деформация ЩГК – создание различного типа структурных состояний, существенно повышающее механическую прочность кристаллов, не изменяет их пороги ЛП. В то же время при изготовлении методом горячего

прессования лазерные окна из NaCl имели порог ЛП до 8 Дж/см2 при 5 Дж/см2 для монокристалла (10,6 мкм, 1,2 нс); при этом предел текучести поликристалла вчетверо превышал соответствующий параметр монокристалла.

Проблема лучевой прочности ИК-кристаллов прежде всего есть проблема технологическая – определяющим фактором яв-

8

ляется качество оптического материала и обработки поверхностей ОЭ. При этом необходимая степень совершенства материала и обработки поверхностей зависит от конкретных режимов лазерного воздействия.

Таблица 1

Пороги ЛП ИК-материалов при воздействии импульсного излучения (длина волны 10,6 мкм, энергия излучения 100 мДж, длительность импульса 92 нс) [1]

Таблица 2

Зависимость порогов ЛП ИК-материалов от размера пятна облучения (длина волны 10,6 мкм, длительность импульса 90 нс)

____________

*На уровне снижения интенсивности излучения от центра пятна в е2 раз.

**Кристаллы выращены в реактивной атмосфере и удовлетворяли следующим условиям: а) отсутствие полосы поглощения в диапазоне 0,5… …10,6 мкм; б) поглощение не более 10–3 см–1; в) отсутствие центров рассеяния при облучении Не-Ne-лазером и наблюдении при 20-кратном увеличении.

9

В настоящее время известны результаты измерений порогов ЛП оптических материалов в импульсном и непрерывном режимах для различных размеров пятен облучения. Отметим, что основная часть измерений порогов ЛП при импульсном облучении проведена в наносекундном диапазоне длительностей импульса. В одинаковых условиях измерений ЩГК (NaCl, KCl) обладают бόльшими порогами, нежели другие материалы. Однако наличие размерной зависимости порогов ЛП на практике привело к тому, что оптический материал (элемент), аттестованный по порогу ЛП в малом пятне, при работе в лазерах с большой апертурой имел порог разрушения на порядок ниже. Этим была обусловлена необходимость измерений ЛП в больших пятнах облучения для оценки перспективности применения реальных материалов для изготовления крупногабаритных ОЭ (табл. 3). Заметим, что в больших пятнах облучения пороги импульсной ЛП различных ИК-материалов отличаются не более чем в два раза. Для непрерывного режима пороги ЛП некоторых ИК-материалов при разных пятнах облучения представлены в табл. 4.

*Диаметр пятна облучения 1,5…3 см, длительность импульса 150 нс.

**Кристаллографические направления.

10

* Время облучения 2 мин.

Порог ЛП реального оптического материала или элемента является функцией как режима облучения (времени воздействия, энергии или мощности излучения и их распределения, размера пятна облучения), так и качества материала и состояния поверхности ОЭ.

Однако, характеризуя их ЛП, исследователи не приводят необходимой совокупности данных, которые позволяют однозначно их трактовать или сравнивать: используют разные критерии разрушения; не всегда указывают, какой порог ЛП измерен (в объеме или на поверхности образца); при непрерывном режиме не приводят данные о времени облучения. Это затрудняет возможность корректного сравнения порогов ЛП реальных материалов, полученных разными авторами. Критерии, позволяющие прогнозировать пороги ЛП при переходе от одних условий облучения к другим, от образцов – к ОЭ, в настоящее время отсутствуют. Только весьма осторожно можно отметить, что для некоторых материалов (NaCl, KCl, BaF2, GaAs – при импульсном облучении; NaCl, KCl, ZnSe, GaAs – при непрерывном) характерны высокие пороги ЛП как в малых, так и в больших пятнах облучения.

В настоящее время порог ЛП реального оптического материала или элемента, измеренный в малом пятне облучения, является качественной характеристикой по отношению к реальным

11