6.3 Деградация и восстановление медных зеркал импульсного CO2- лазера

При воздействии лазерного излучения на поверхность металла наблюдались светящиеся пятна, выделяющиеся своей яркостью на общем фоне облучённой зоны Некоторые из них могли являться локальными инициаторами развития оптического пробоя воздуха вблизи поверхности.

В данном разделе сообщается об экспериментальных исследованиях длительной эксплуатации медных зеркал импульсного CO₂- лазера, свойства и конструкция которого описаны в работе [А 10]. Основной практический результат - многолетняя работа зеркал происходила без заметного необратимого ухудшения основных оптических параметров. Длительность импульса (рисунок 6.1) в различных экспериментах составляла 2-5 мкс по основанию, апертура луча ~ 10? 10 см². Энергия импульса варьировалась в диапазоне 50 - 800 Дж. Резонаторные зеркала использовались в условиях контакта с активной средой лазера, плазма которой в момент разряда обладала высокой химической активностью. В плазме разряда присутствовали ионы O₂'', CO'' , CO₂'', N₂'', различных окислов азота, продукты разложения три-п-пропил-амина, используемого в качестве легкоионизуемой присадки в смеси, и различные их комбинации.

как снижение коэффициента отражения существенным образом ухудшает КПД лазера. Частая замена вышедших из строя зеркал повышает эксплуатационные расходы и тем самым сужает область применения лазера.

Были исследованы вогнутые «глухие» зеркала 0 160 мм с радиусом кривизны 40000 мм, изготовленные методом алмазного точения с последующей доводкой алмазной пастой (зеркало № 1) и методом свободного абразива (зеркало № 2). Оптические параметры зеркал после изготовления: форма поверхности N = 2, ошибка формы ΔN = 0,2, класс оптической чистоты P = V.

Рисунок 6.19 - Принципиальная схема стенда КЗО-2:

JIi, JI₂- рабочий и юстировочный лазеры; M_i, M₂, M₄, M₅- зеркала оптического тракта; M₃- передвижное юстировочное зеркало; M и M₃- исследуемое эталонное зеркало; 0 - обтюратор; ИС - интегрирующая сфера; ФП - фотоприемник с усилителем; ИП - измерительный прибор; М’ - положение зеркала M при повторном измерении

Перед установкой зеркала в кювету измерялся его коэффициент зеркального отражения (КЗО) на аттестованном стенде КЗО-2 (рисунок 6.19). Определение КЗО выполнялось методом многократных отражений. Суть метода заключается в измерении и сравнении потока лазерного излучения Φ_n,многократно отраженного между исследуемым и эталонным зеркалами, с потоком Φ₁отраженным от исследуемого зеркала. Измерения проводились при угле падения излучения 8°. Число отражений N равнялось 11. Относительная погрешность измерения параметра p_λсоставляла ÷ 0,2%. Расчеты проводились по формуле (6.22)

где R₃- коэффициент зеркального отражения эталонного зеркала;

N - число отражений на эталонном зеркале.

После цикла эксплуатации (~ IO³пусков) зеркало снимали и определяли КЗ О, снизившийся в процессе эксплуатации. Затем реставрация зеркал проводилась методом их бесконтактной химической обработки по специально разработанной технологии [A20, А46, А47].

Длительная эксплуатация в среде газового разряда приводила к образованию на поверхности зеркала темной пленки. Она состояла в основном из продуктов разложения три- п-пропил-амина в плазме газового разряда. Эта плёнка заметно ухудшала оптические параметры зеркала в видимой и ИК - областях спектра. Ввиду низкой микротвёрдости меди, очистка оптической поверхности зеркал стандартными методами, применяемыми в оптической промышленности (путём протирки ватой, пропитанной растворителями), не позволяет полностью восстановить их оптическое качество. В этом случае вата и частицы пыли, попавшие на зеркало, оставляют микроцарапины на его поверхности, что заметно ухудшает её чистоту. Это и послужило причиной разработки бесконтактной технологии химической очистки зеркал азеотропной смесью на основе тетрафтордибромэтана [А20, А46, А47].

После воздействия лазерного излучения зеркала отмачивались в специально разработанной азеотропной смеси на основе фреона, после чего последовательно обрабатывались бесконтактно алифатическим спиртом, преимущественно этанолом, затем раствором бензотриазола в ацетоне либо этаноле. После завершения процесса отмывки зеркала тщательно обдувались в струе осушенного и очищенного инертного газа, например, азота.

Все процессы проводились в чистой комнате при комнатной температуре. Результаты многолетней эксплуатации этих зеркал приведены в таблице 6.4.

Специальная химическая обработка зеркал приводила к полному удалению с оптической поверхности пленки, образовавшейся в процессе эксплуатации. Коэффициент зеркального отражения, при этом, после нескольких циклов постепенно возрос до величины 99,0%, что несколько выше исходного (сразу после процесса полировки), т.е. потери излучения на зеркале уменьшились ~ в 1,5 раза по сравнению с потерями, свежеизготовленного зеркала.

Таблица 6.4 Коэффициенты зеркального отражения зеркал на различных стадиях эксплуатации в резонаторе лазера и после процесса восстановления, а также значения выходной энергии лазера

Механизм некоторого повышения КЗО после химической обработки основан, вероятно, на эффекте лазерной очистки при воздействии на зеркало лазерного импульса с плотностью мощности близкой к порогу оптического пробоя (выгорание поглощающих включений), что способствует повышению его коэффициента отражения. При эксплуатации зеркала внутри лазерной кюветы помимо этого процесса идет конкурирующий процесс осаждения на зеркале продуктов разложения химически активной среды газового разряда, перекрывающий эффект лазерной очистки и вызывающий ухудшение КЗО. В то же время эта плёнка предохраняла поверхность зеркала от окисления в агрессивной среде разрядной камеры. Полное удаление поглощающей пленки с поверхности зеркала химической обработкой проявляло эффект лазерной очистки приповерхностного слоя и, следовательно, могло приводить к некоторому росту коэффициента отражения.