3.1.1 Методика эксперимента по исследованию энергетического порога повреждения оптических материалов

Энергетический порог повреждения оптических материалов определялся с помощью импульсного электроразрядного CO₂- лазера с выходной энергией до 70 Дж [6]. При проведении описываемого эксперимента лазер излучал импульсы с энергией 10÷20 Дж.; энергия накачки, давление и состав газовой смеси (CO₂: N₂: Не - 1: 2: 3) поддерживались постоянными.

В данном эксперименте в лазере был использован полусферический резонатор, состоящий из вогнутого медного зеркала с золотым покрытием (радиус 15000 мм) и выходного полупрозрачного зеркала из плоскопараллельной пластины монокристалла германия диаметром 100 мм. Длина активной среды составляла 3 м, а длина резонатора - около 4 м. Размеры луча на торце генератора составляли приблизительно 45 ? 50 мм².

Рисунок 3.1- Статистический разброс энергий импульса излучения используемого

CO₂- лазера

Рисунок 3.2 Форма лазерного импульса (0,5 мкс/дел.)

На рисунке 3.1 показан статистический разброс значений выходной энергии 30 лазерных импульсов. Наиболее вероятное значение этой величины - 14÷15 Дж. Измеренная форма импульса излучения характерна для режима свободной генерации электроразрядного CO₂- лазеров (рисунок 3.2). Длительность импульса генерации по основанию составляла приблизительно 5 мкс.

На рисунке 3.3 приведена оптическая схема, разработанная и собранная для определения порога оптической стойкости реальных кристаллов. Прозрачные оптические элементы были изготовлены из монокристаллов хлорида натрия, а отражающие зеркала - из бескислородной меди марки МОБ. Излучение лазера (1) пройдя через сменные ослабители (2), клин (3) и отразившись от поворотного зеркала (4) концентрировалось линзой (5) с фокусным расстоянием f = 1000 мм на исследуемый образец (7), который располагался на расстоянии 700 мм от линзы.

микровольтамперметром Ф-116/2.

Юстировка схемы производилась лучом гелий-неонового лазера ЛГ-126 (12) вводимым с помощью поворотного зеркала (11) через вторую грань клина. Часть излучения, сфокусированного на образец, ответвлялась пластиной (6) для контроля энергии и формы импульса воздействующего излучения. Луч, отражённый от пластины и прошедший через клин (13) фокусировался в калориметр ТПИ 2-5 (14), что позволило более точно определить коэффициент пропускания оптической схемы и, следовательно, энергию излучения, дошедшего до образца. Для измерения формы лазерного импульса около 4% излучения отражалось от первой грани клина (13). Затем, ослабленное фильтрами из полиэтилена (15) и диафрагмой (16), излучение направлялось на охлаждаемое жидким азотом фотосопротивление Ge:Au (ФСГ-22 или «Свод») (17). Регистрация «времени существования» плазменного образования перед поверхностью образца и формы импульса излучения плазмы производилась фотоэлектронным умножителем ФЭУ-51 (21). Излучение плазмы направлялось на ФЭУ-51 зеркалом (18) и ослаблялось нейтральными светофильтрами из стекла марки HC (19) и диафрагмой (20). Факт появления плазменного факела регистрировался также фотокамерой с открытым затвором (22), расположенной сбоку от образца, и дублировался визуально. Сигналы от фотоприёмной аппаратуры фиксировались двухлучевым запоминающим осциллографом С8-2 (23). Для снижения влияния весьма значительных

электромагнитных помех осциллограф и фотоприёмники размещались в экранированном боксе (24).

Сечение лазерного луча в плоскости образца имело прямоугольную форму. Площадь зоны воздействия измерялась по пятну ожога на термобумаге, располагавшейся в плоскости образца, и составляла ~ 0,67 см².

Распределение выходного излучения поддерживалось на стабильном уровне и периодически контролировалось. Проводилась оценка плотности энергии, как усреднённой по сечению луча, так и максимальной, для чего участок луча с наибольшей интенсивностью излучения вырезался диафрагмой. Средняя плотность энергии в таком участке примерно в четыре раза превышала соответствующее значение для всего луча.

Абсолютная погрешность термопарного калориметра ТПИ 2-5 составляет 16

% (паспортная характеристика). Так как в данном разделе работы основное внимание уделялось сопоставлению стойкости различных материалов к действию лазерного излучения, то мы измерили относительную погрешность ТПИ 2-5, использовавшихся в работе. Она не превышает погрешность регистрирующего прибора (0,5 деления шкалы Ф-116/2), что в наших условиях составляло не более ⅛ 5 %.

1 - импульсный СО2-лазер, 15 - ослабители из полиэтилене

2 - оптические ослабители, 16, 20 - диафрагма,

3, 13 - клип из NaCl, 17 - фотоприемник ФСГ 22,

4, 11 - поворотное зеркало, 18 - зеркало,

5, 9 - линза из NaCl, 19 - нейтральный светофильтр,

6 -пластина из NaCl, 21 - фотоприемник ФЭУ-51,

7 - исследуемый образец, 22 - фотоаппарат,

8 - поглощающий экран, 23 - осциллограф С8-2,

10, 14 - калориметр ТПИ 2-5, 24 - экранированный бокс

12 - юстировочный лазер ЛГ-126,

Рисунок 3.3 - Оптическая схема экспериментальной установки

Плотность энергии излучения на образце изменялась, как путём использования калиброванных френелевских ослабителей (2), из оптически обработанных пластин германия, хлорида натрия и КРС-5, так и за счёт случайных отклонений энергии лазерного импульса от среднестатистического значения.

В описываемом эксперименте исследовались две группы образцов. Первая группа - полированные пластинки всех 11 видов кристаллов диаметром 20÷30 мм и толщиной 2÷3 мм, поверхности которых были оптически обработаны по стандартной технологии.

За энергетический порог оптической стойкости реальных кристаллов принималась такая средняя плотность энергии лазерного импульса, попадающего на образец, при которой возникали заметные обратимые и необратимые изменения оптических характеристик образца, либо повреждения, которые препятствовали бы использованию этого образца в качестве оптического элемента лазерной системы.