2.2 Исследование фильтров - ослабителей излучения

Первоначально, в экспериментах по воздействию излучения CO₂- лазера в качестве фильтров - ослабителей излучения применялись полированные пластины из монокристаллов германия, КРС-5 и хлорида натрия.

При исследовании нелинейного пропускания лазерного излучения луч, прошедший через образец, должен быть более точно съюстирован, так как далее он фокусируется на приёмную площадку фотоприёмника, размеры которой лишь ненамного превышают сечение луча в этой области. Поэтому были проведены поиски подходящего ослабителя, обладающего достаточно высокой оптической стойкостью (плотность мощности излучения Wp_π ≈ IO⁷Вт/см²), линейностью в используемом диапазоне и не отклоняющего заметно лазерный луч.

После анализа литературных данных были выбраны следующие частично поглощающие материалы: плёнки майлара, полиэтилена, фторопласта, тонкие пластинки монокристаллического кремния р - типа, монокристаллов фторидов лития и кальция LiF, CaF₂, а также поликристаллической оптической керамики фторида магния КО-1. Пластинки кремния р - типа были нами отбракованы довольно быстро, так как они обладают значительным коэффициентом френелевского отражения (28% от одной грани), а при исследовании поглощения фторидов кальция, магния, лития в области 8 - 12 мкм были получены интересные результаты, излагаемые ниже.

Монокристаллы фторидов лития - LiF и кальция - CaF₂, а также поликристаллы фторида магния MgF₂(оптическая керамика КО-1), обладают заметным фундаментальным поглощением в диапазоне 10 мкм. Однако в данных, приведённых в литературе, наблюдался значительный разброс значений коэффициента поглощения β на длине волны 10,6 мкм для этих материалов. Поэтому было принято решение экспериментально уточнить эту величину.

В данном разделе работы приведены полученные нами результаты исследования фундаментального поглощения фторидов кальция, магния, лития в области 8-12 мкм.

Рисунок 2.1- Зависимость β= f (v) для CaF₂, LiF и KO-I

На рисунке 2.1 приведены частотные зависимости коэффициентов поглощения для CaF₂, LiF и KO-I в диапазоне 8-12 мкм, а в таблице 2.1 значения β₁₀₆, измеренные нами, и сопоставленные с известными литературными данными.

Важнейшим параметром исследованных материалов является коэффициент поглощения β и, в частности, β₁₀₆. Полученные нами значения β были сопоставлены с литературными данными. Видно, что для монокристалла LiF полученное в нашей работе

значение βιo,6 ⁼54 см'¹. Эта величина согласуется с наиболее достоверными данными, приведёнными в работе [58]. Для оптической керамики из фторида магния KO-I полученное нами значение коэффициента поглощения β₁₀₆ = 59 см'¹ значительно выше данных, приведённых в работах [101] (βιo,6 = 8-10 см'¹) и [300] (βιo,6 = 25 - 30 см'¹).

Таблица 2.1 Коэффициенты поглощения LiF, CaF_2jMgF₂ (KO-I) на λ = 10,6 мкм

Как известно, наличие фундаментальной полосы поглощения в ИК - области спектра диэлектриков обусловлено фотон-фононным взаимодействием.

где v_o- частота однофононного резонанса, А и В - константы материала.

Полученное экспериментально значение коэффициента поглощения для фторида лития LiF β₁₀₆ = 54 см'¹, как и вся частотная зависимость β, хорошо согласуется с уравнением (2.5). Полученная нами зависимость коэффициента поглощения β(v) поликристалла MgF₂ (KO-I) также подчиняется правилу Урбаха (2.5). Сравним частотную зависимость β(v) для фторида магния (КО-1), приведённую в работах [101, 300], с теоретической. Видно, что согласие с формулой (2.5) присутствует лишь в области 6-8 мкм. При увеличении длины волны свыше 8 мкм наблюдается насыщение величины β, не подтвержденное в наших измерениях. Напрашивается предположение,

что замеренное в работах [101, 300] отклонение хода кривой β(v) от рассчитанного по зависимости Урбаха связано с использованием для измерений слишком толстых образцов MgF₂ (KO-I) (d ≥ 1 мм). В этом случае погрешность определения β, как показано выше, возрастает, особенно в длинноволновой части полосы поглощения в ИК - области [299].

Поэтому мы пришли к выводу, что при λ> 8 мкм в работах [101, 300] фактически наблюдали так называемое псевдонасыщение β, вызванное значительной погрешностью измерений вследствие использования «толстых» образцов (d ≥ 1 мм) [299].

C другой стороны, следует иметь в виду, что уменьшение толщины исследуемых образцов ведет к некоторому увеличению вклада приповерхностного слоя в значение измеряемого поглощения. В приповерхностном тонком слое имеет место искажение кристаллической структуры материала при оптической обработке, следствием чего является локальное повышение величины β по сравнению с объемным значением.

Из полученных в этом разделе данных следует, что не только в монокристаллах LiF и CaF₂, но и в поликристаллах MgF₂ (KO-I) экспериментально измеренное значение β(v) в диапазоне 8-12 мкм подчиняется теоретической зависимости - правилу Урбаха. Это позволяет с довольно высокой точностью рассчитывать величину β на коротковолновом краю фундаментальной полосы поглощения путём экстраполяции уже известных зависимостей β(v) не только для монокристаллов, но и для широко применяемой в промышленности оптической керамики MgF₂(КО -1).

Полученные в этом разделе экспериментальные данные позволяют рекомендовать не только монокристаллы LiF, CaF₂и сравнительно дешёвую оптическую керамику (КО - 1) из поликристаллов MgF₂для изготовления калиброванных ослабителей для оптических измерений в спектральном диапазоне 8-12 мкм.

Однако изготовление тонких пластинок из LiF и MgF₂необходимой толщины для измерений в области 10,6 мкм оказалось сложным и дорогим мероприятием, так как они очень легко выходили из строя от малейшей механической нагрузки. Пластинки CaF₂ вследствие заметной толщины отклоняли лазерный луч. Поэтому для практического использования в данной работе были выбраны ослабители из плёночных материалов.

Среди исследовавшихся плёночных органических материалов наилучшими ослабителями для практического использования в нашем эксперименте оказались плёнки фторопласта толщиной 80 мкм. В таблице 2.2 приведены коэффициенты пропускания использовавшихся нами фторопластовых фильтров. Величина их пропускания предварительно калибровались с помощью спектрофотометра «Hitachi- 225» и дополнительно проверялась непосредственно в оптической схеме по показаниям калориметров ТПИ 2-5, размещавшихся для этого в обоих каналах вместо фотоприёмников.

Таблица 2.2 Пропускание использовавшихся фторопластовых ослабителей