7.5 Обсуждение полученных результатов

Так как одной из задач, решаемых в работах, описанных в данной главе, было создание предпосылок для развития производства силовой оптики из поликристаллических алмазов в России, то мы сочли необходимым экспериментально продемонстрировать преимущества этого материала при использовании не только в лазерной оптике, но и в силовой электронике.

После проведения анализа свойств алмаза, в качестве объекта испытаний были выбраны СВЧ нагрузки 50 Ом, обычно выполняемые на подложках из поликора (керамика на основе Al₂O₃). Мы заменили поликор на алмаз, причём, с целью показать, что пластины ПА, являющиеся технологическим браком для применения в оптике, могут быть с успехом использованы в силовой электронике, для эксперимента была выбран так называемый «серый алмаз» с теплопроводностью ~ 10 Вт/смхК, т.е. вдвое ниже, чем у оптических ПА. Применение таких подложек из ПА на порядок увеличило рассеиваемую мощность нагрузок.

Исследованные в данном разделе работы окна из ПА имели потери на поглощение и рассеяние на длине волны 1,07 мкм ~ 5 % воздействующего излучения. В эксперименте мы зафиксировали, что водоохлаждаемое окно из ПА выдержало излучение непрерывного волоконного лазера при плотности мощности до ~ 7 МВт/см² практически не искажая распределение интенсивности прошедшего лазерного излучения.

На длине волны 10,6 мкм поглощение ПА составляет порядка 1 %. Поэтому можно предположить, что окно из ПА в луче мощного CO₂- лазера сможет выдержать значительно более мощное излучение.

Проведенный эксперимент продемонстрировал нелинейную зависимость разогрева центра окна с T_maxот мощности излучения P в пятне с диаметром 0,4 мм, тогда как при пятне 4 мм зависимость нагрева облучённой зоны от мощности лазера носит линейный характер. Полученные результаты дают основание полагать, что проведя предварительный расчёт параметров резонатора конкретного мощного CO₂- лазера, можно, путём оптимизации таких параметров, как диаметр луча, размеры и

форма алмазного окна, температура и скорость потока воды через оправу окна, значительно увеличить выходную мощность лазера без заметного ухудшения расходимости и распределения излучения.

Эффективность отвода тепла поглощенного ПА зависит от теплопроводности используемого алмаза, градиента температуры в пластине, а также диаметра облучаемой зоны. За счет высокой теплопроводности поликристаллического алмаза, становится возможным уменьшать диаметр лазерного луча на окне. C увеличением плотности мощности увеличивается градиент температуры от центра к краю. Расчёт показал, что при перепаде температур ~ 5^oC в алмазном окне возникает тепловая линза, ухудшающая вдвое расходимость прошедшего излучения. В то же время, в нашем эксперименте, в котором расходимость излучения напрямую не контролировалась, даже при перепаде температур, составляющем сотни градусов, качество распределения лазерного луча, прошедшего через окно в таких условиях, не ухудшалось. О чём это говорит? Мы полагаем, что благодаря высокой теплопроводности алмаза, тепловая линза, в этом случае, практически не искажает структуру волнового фронта лазерного излучения, форма которого остаётся близкой к сферической. Такая тепловая линза может быть компенсирована либо введением в оптический тракт дополнительной отрицательной линзы, либо поворотным зеркалом, при расчёте радиуса которого учитываются параметры тепловой линзы.

В то же время известно, что монокристаллические алмазы обладают гораздо лучшими оптическими свойствами, чем ПА, однако их габаритные размеры недостаточны для изготовления реальных окон мощных лазеров. C уменьшением длины волны эта разница становится ещё более заметной.

В этой ситуации представляют очевидный интерес результаты работ [413, 414], в которых, в интересах силовой электроники, были созданы комбинированные поликристаллические пластины алмаза с вкраплениями монокристаллических включений. Этот результат позволил предложить использовать для изготовления лазерных окон комбинированные алмазные пластины с центральной монокристаллической зоной и поликристаллической периферией. В этом случае центральная монокристаллическая зона с хорошими оптическими свойствами будет использоваться для вывода лазерного излучения, а периферийная поликристаллическая часть предназначается для вакуумирования и эффективного охлаждения.

должны работать при мощности излучения до 35 кВт, причём, при тщательно подобранных соотношениях между размерами окна и луча, с учётом теплофизических свойств алмаза, конструкции системы охлаждения, эту величину можно увеличить. В работах [400 -407] показано, что развитие технологии получения ПА позволило получить монокристаллы алмаза с коэффициентом поглощения на λ = 1,06 мкм на уровне 2?10^³см'¹.

Другим резервом повышения мощности лазерного излучения, прошедшего через алмазное окно, является использование при получении алмаза сырья на основе изотопически чистого углерода, благодаря чему теплопроводность алмаза может быть повышена ~ в полтора раза [305, 306, 415].

В заключение необходимо отметить, что ПА начинают находить и другие применения в лазерной технике. Алмазные теплоотводы, используемые для охлаждения активных элементов дисковых твердотельных лазеров [А38, 416], а также

полупроводниковых лазеров [417], позволили увеличить их выходную мощность в несколько раз.

Особо следует отметить, что алмаз - это один из наиболее перспективных кристаллов для создания BKP - лазеров. Излучение с λ = 1,06 мкм преобразуется в λ = 1,24 мкм, а с λ = 0,532 мкм, соответственно, в λ = 0,573 мкм. КПД преобразования может достигать 60 % [418]. А если учесть, что потери в BKP - кристалле выделяются в виде тепла, то преимущества алмаза ставят его, безусловно, на первое место в этом типе изделий.

Другим, пока не реализованным применением для ПА, может быть их использование в качестве подложек охлаждаемых зеркал с прозрачной подложкой. В монографии [419] сообщается о конструкции силовых интерференционных лазерных зеркал с диэлектрическим покрытием на кремниевых подложках. Достоинством этих зеркал является то, что исключается нагрев подложки, обусловленный распространением теплового потока от оптической поверхности до теплообменника. Такие зеркала могут отражать ~ 99% излучения, при этом большая часть потерь не поглощается отражающей поверхностью, а проходит через подложку и поглощается непосредственно теплоносителем. Преимущества ПА в этом случае настолько очевидны, что не нуждаются в комментариях.