1.3.1 Алмаз: оптические свойства и перспективы применения в CO2- лазерах

Алмаз применяется как конструкционный материал для силовой оптики и электроники, сочетающий в себе уникальные физико-химические свойства [А15, 257]. Будучи прозрачным материалом, от УФ вплоть до см диапазона (за исключением области фононного поглощения 2-6 мкм), он обладает рекордной теплопроводностью - в 5 раз выше, чем у меди, и низким коэффициентом термического расширения (как у инвара).

Рисунок 1.9 - Кристаллическая структура алмаза [194]

Такие особенности алмаза определяются его кристаллической структурой (рисунок 1.9). Подобную структуру имеют очень многие кристаллы, широко применяемые в ИК - оптике и полупроводниковой электронике, например германий и кремний. Однако алмаз, благодаря значительно меньшему межатомному расстоянию, имеет крайне высокое значение энергии кристаллической решётки. Экспериментальное значение статической энергии связи в алмазе, к которой добавлена энергия нулевых колебаний, составляет 7,62 эВ/атом [258].

Попытки использовать алмазы в различных технических устройствах предпринимались достаточно давно. Однако природные алмазы слишком дороги, малы размером и имеют значительный разброс технических параметров, вызванный заметным различием в условиях их роста в природных условиях.

Природный алмаз по своим оптическим свойствам делят на две категории в зависимости от наличия или отсутствия сильной полосы поглощения в области 7÷11 мкм [259]. Высококачественный, прозрачный в ИК - области спектра, алмаз относят к категории ПА. В алмазе важно уникальное сочетание оптических, механических и

теплофизических свойств. Поэтому он способен выдерживать очень высокие лучевые нагрузки. В первой публикации на эту тему [260] сообщается, что через пластинку из синтетического монокристалла алмаза, размером 1 ? 2 ? 4 мм³, в течение 5 секунд пропускалось непрерывное излучение CO₂- лазера мощностью от 1 до 10 кВт (плотность мощности превышала IO⁶Вт/см²).

Размеры природных и синтетических (получаемых при высоких давлении и температуре) монокристаллических алмазов недостаточны, чтобы их можно было использовать в реальных лазерных системах. Тем не менее, потенциальная возможность синтеза материала с такими уникальными свойствами из легко доступного сырья (углерода) инициировала проведение многочисленных исследований.

Для атомов углерода стабильной кристаллической структурой является гексагональная (графит) (рисунок 1.10). В природе кристаллизация углерода в структуре алмаза происходит при крайне высоких значениях температуры (≥ 2000 °С) и давления (≥ 1 МПа). Тем не менее, в середине 20-го века была создана технология синтеза монокристаллов алмазов при сверхвысоких давлениях, то есть в условиях, приближённых к природным. Эта технология крайне сложна, но она оказалась экономически выгодной для получения небольших алмазов, прежде всего недорогих алмазных порошков, широко используемых в механообработке.

Тем не менее, полученные кристаллы нашли настолько многочисленные применения в различных отраслях современной техники, что «экономический потенциал наиболее развитых государств в значительной мере стали связывать с использованием ими алмазов» [261]. Достигнутый уровень технологии и, соответственно, масштабы производства таковы, что сейчас в мире ежегодно производится более 100 тонн искусственных алмазов. Причём производство алмазов постоянно растёт. Регулярно находятся новые применения и создаются новые производственные мощности. Стоимость 1 карата (1 карат = 0,2 г) алмазного порошка составляет величину порядка 3 руб.

Сравнительно крупные искусственные алмазы по цене приближаются к природным кристаллам. В итоге, получение таких монокристаллов размером более 6-8 карат становится не рентабельным. Поэтому эта технология оказалась не в состоянии удовлетворить потребности лазерной техники.

Рисунок 1.11- Монокристаллы алмаза, полученные CVD-методом) [262]

Рисунок. 1.10 - Гексагональная кристаллическая структура углерода (графит) [194]

В 1956 г. отечественные учёные Спицын Б. В. и Дерягин Б. В. предложили принципиально новую технологию получения алмазов, приемлемую технологически и экологически, плазмохимическим осаждением при давлении менее 1 атм (CVD - технология, «chemically vapor deposition»). Очевидно, что доступно исходное сырьё - метан и водород. Метод оказался настолько оригинальным и неожиданным, что патент был выдан лишь почти четверть века спустя [263]. Основные технические характеристики поликристаллических алмазов (ПА) соответствуют свойствам природных алмазов, причём, в отличие от последних, они технологически воспроизводимы [А15, 257]. Уже изготовлены пластины этого материала диаметром до 300 мм и толщиной до 3 мм оптического качества. Позднее выяснилось, что метод позволяет получать и достаточно крупные монокристаллы даже ювелирного качества (рисунок 1.11) [262].

На рисунке 1.12 приведён спектр пропускания ПА, а на рисунке 1.13 показан внешний вид пластины ПА, выращенной в ЦЕНИ ИОФ РАН.

Рисунок 1.12 - Спектр пропускания пластины ПА [264]

Рисунок 1.13 - Пластина поликристаллического алмаза (диаметр 57 мм, толщина 0,5 мм) [257]

Механические, теплофизические и оптические свойства этого материала могут достигать соответствующих значений параметров монокристаллов типа ПА.

Особенностью получения и обработки ПА является то, что эта технология экологически чиста, наукоемка и может быть реализована в условиях крупного мегаполиса.

В таблице 1.2 приведены параметры наиболее применяемых в непрерывных лазерах диапазона 10,6 мкм оптических монокристаллов KCl и ZnSe в сопоставлении со свойствами алмаза (использованы литературные данные по свойствам монокристаллического алмаза) [30]. Критериальные характеристики рассчитаны по формулам (1.2 - 1.6) [30]. Однако стоит заметить, что поликристаллический материал все-таки несколько отличается от монокристалла по своим свойствам.

Приведённые параметры рассчитаны для пластин одинаковой толщины. Алмазная пластина, используемая в качестве окна, будет иметь значительно меньшую толщину, чем пластина из KCl или ZnSe, как вследствие технологических причин, так и благодаря гораздо более высокой механической прочности. За счет этого критериальные

параметры конкретного устройства вывода излучения необходимо будет корректировать с учетом необходимой толщины окна.

Таблица1.2 Сопоставление параметров алмаза с наиболее применяемыми материалами для окон непрерывных CO₂- лазеров KCl и ZnSe

Из данных приведенных в таблице 1.2 видно, что алмаз, значительно превосходит другие материалы, несмотря на существенно худший коэффициент поглощения, однако и здесь есть некоторые технологические резервы улучшения качества материала.

Поглощение в наиболее совершенных монокристаллах алмаза в области 10,6 мкм составляет 0,033 - 0,036 см'¹[264, 265]. Этот нижний предел обусловлен

длинноволновым «хвостом» полосы двухфононного поглощения в диапазоне 3,75 - 7,5 мкм [264, 265]. Минимальные значения коэффициента поглощения β₁₀₆в лучших образцах ПА компании Element Six, находится в пределах 0,030 - 0,065 см'¹[264, 265].

Хотя у алмаза большой коэффициент поглощения, но он имеет на 2 порядка большую теплопроводность и в несколько раз меньшие значения KTP и dn∕dT, чем у основного конкурента - селенида цинка. Кроме того, у алмаза гораздо выше механическая прочность, что позволяет делать окна существенно меньшей толщины, и, соответственно, снижать тепловую нагрузку на систему охлаждения.

Алмазное окно, благодаря уникальной оптической стойкости, способно работать при значительно более высоких лучевых нагрузках без разрушения, а малые размеры окна и отличные теплофизические свойства алмаза позволяют заметно снизить влияние термооптических эффектов.

Однако наилучшие результаты будут получены при внедрении в реальную практику изотопически чистых алмазов. Известно [266], что изотопически чистый алмаз имеет теплопроводность на уровне 3000 - 3500 Вт/мК, т.е. в полтора раза выше, чем у лучших природных алмазов.

Рисунок 1.14 - Внешний вид щелевого CO₂- лазера фирмы Rofin Sinar [267]

Наглядным примером того, как использование ПА может привести к получению прорывных результатов в конкретно взятой области современной техники является положение дел при разработке мощных щелевых CO₂- лазеров.

Как показано ранее, одним из наиболее слабых узлов мощных CO₂- лазеров является окно между активной средой и атмосферой.

Особенностью щелевого лазера является малая величина разрядного промежутка (обычно не более 3 мм), что заметно снижает величину рабочего напряжения и позволяет использовать жидкостное охлаждение электродов для поддержания рабочей температуры активной среды. В сверхкомпактных мощных щелевых лазерах, в отличие от широко распространённых в промышленности электроразрядных лазеров с поперечной или продольной прокачкой, отсутствует газовакуумный блок с вакуумным насосом, баллонной рампой и системой прокачки газовой смеси. Это заметно снижает не только массогабаритные размеры, но и энергопотребление [267, 268]. При таком сечении активной среды для получения значительной выходной мощности резко растёт ширина разрядного промежутка, что требует создания и использования специально разработанных резонаторов. Из-за специфической геометрии активной среды хорошее качество излучения таких лазеров может быть получено лишь при компактных размерах

выходного луча. Поэтому для мощных щелевых лазеров традиционные материалы ПК - оптики, не выдерживающие значительные лучевые нагрузки, непригодны, что существенно сдерживало их развитие. В настоящее время ведущие фирмы (например, «TRUMPF», «ROFIN- SINAR» и др.) уже серийно выпускают технологические щелевые CO₂- лазеры мощностью 3-8 кВт только с охлаждаемым алмазным окном (рисунок 1.14). Размеры излучателя зависят от выходной мощности. В промышленности уже эксплуатируется более IOOOO подобных технологических лазеров, и производство их активно развивается [267, 268].

Рисунок 1.15- Эквивалентная среда для рельефных субволновых решеток на поверхности алмазной пленки

Создание на поверхности ПА периодических рельефных структур с высокой степенью регулярности и периодом меньше длины волны излучения (4 - 4,5 MKM для просветления на длине волны CO₂- лазера) позволяет существенно уменьшить потери на отражение (рисунок 1.15) [269]. Этим же методом возможно создание плоских линз из пластин ПА.

В настоящее время активно развиваются мощные излучатели террагерцового и СВЧ диапазонов. Однако существуют весьма значительные проблемы с прозрачными материалами для этих диапазонов. Для применения в сравнительно маломощных источниках обычно используются некоторые полимерные материалы, но в мощных излучателях их применять нельзя. Безальтернативным материалом их окон является ПА. Поскольку данные диапазоны сейчас активно осваивается, это служит дополнительным стимулом для исследований свойств алмазной силовой оптики. В гиротронах со средней мощностью 1 МВт применяется окно из ПА 0 100 мм и толщиной 1,2 мм, приобретаемое у фирмы «Element Six» по цене ~ 100000 $/шт. [270, 271]. Окно из ПА 0 40 мм используется в лазере на свободных электронах (средняя мощность 400 Вт; λ=120 - 240 мкм) [272].