Материал: 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