2.5 Оптические свойства лейкосапфира в области 10,6 мкм

При исследовании воздействия импульса CO₂- лазера на анодированные пластины дюралюминия (раздел 8.3) выяснилось, что лазерное излучение взаимодействует с поверхностным слоем окиси алюминия.

Лейкосапфир (корунд, окись алюминия, А1₂0з) широко применяемый материал в электронной, оптоэлектронной и лазерной технике, точной механике, для изготовления «нецарапаемых» часовых стёкол различной формы, медицине и др. [193]. Его достоинства - прозрачность в широком температурном диапазоне, вплоть до 1600^oC (в области от 0,17 до 5,5 мкм), а также в ТГц и СВЧ диапазонах, высокая твердость, прочность, химическая инертность, низкий коэффициент трения. Хотя теплопроводность сапфира в 30 раз ниже, чем у алмаза [А 15], он широко применяется в электронике для изготовления теплоотводящих подложек, в частности, в широко применяемых светоизлучающих диодах высокой яркости. В последние годы появились новые области применения лейкосапфира - радиочастотные интегральные микросхемы с высокой степенью интеграции на основе KHC структур (кремний на сапфире) и голубые полупроводниковые лазеры. Поэтому, несмотря на высокую температуру плавления ~ 2050 °С, технология выращивания этого материала весьма развита. Промышленность, используя различные методы (Степанова, Киропулоса, Вернейля, Чохральского, направленной кристаллизации), выпускает монокристаллы диаметром более 300 мм и весом до 100 кг, а также профилированные изделия различной формы [309-311].

Во многих отраслях промышленности кроме монокристаллического лейкосапфира (а модификация Al₂O₃) применяются разнообразные керамические материалы на основе Al₂O₃(поликор, корунд, алунд и другие композиции на основе

оксида алюминия), прежде всего, в виде конструкционной, электроизоляционной, термостойкой керамики [312].

Окись алюминия в промышленности часто используется для нанесения различных защитных покрытий на конструкционные материалы. Так как алюминий является химически активным материалом, то изделия из Al и его сплавов пассивируются (процесс оксидирования) путём нанесения тонкого механически прочного покрытия (несколько мкм) окиси алюминия.

ИК - спектры сапфира исследовались во многих классических работах, например [313, 314].

Для обработки заготовок из сплавов алюминия, керамик на основе Al₂O₃, монокристаллического сапфира (в том числе для деталей часовых механизмов), часто используются CO₂- лазеры, излучающие на длине волны 10,6 мкм. Поэтому знание оптических характеристик окиси алюминия в этой области в ряде случаев оказывается необходимым для оптимизации технологических процессов.

Однако, несмотря на то, что оптика диапазона 10 мкм активно развивается (за последние 50 - 60 лет появились широко применяемые CO₂- лазеры, тепловизионные приборы и ряд других устройств), свойства сапфира в этой области изучены слабо.

Для измерения коэффициента отражения были использованы пластины монокристаллического лейкосапфира толщиной 15 мм. Измерения проводились на ИК спектрофотометре «Hitachi - 225» с приставкой для измерения зеркального отражения IRR-3. Методика измерений подробно изложена в разделе 2.1. Измеренный спектр зеркального отражения в диапазоне 2,5 - 25 мкм приведён на рисунке 2.5. Несколько завышенное значение коэффициента отражения в области 2,5 - 6 мкм объясняется тем, что на фотоприёмник прибора частично попадает излучение от второй грани образца. Далее, вследствие значительного поглощения излучения, отражённого от второй грани, регистрировалось лишь френелевское отражение от одной грани.

Величина коэффициента отражения в диапазоне -5-10 мкм монотонно снижается практически до нуля. Затем видно, что в диапазоне - 10 - 14 мкм наблюдается резкий рост величины коэффициента отражения, достигающего в максимуме - 95%.

Как показано в разделе 2.1, для корректного измерения коэффициента поглощения спектрофотометрическим методом необходимо проводить измерения в области пропускания образца ~ 50%. В случае сапфира в области 10 мкм это слой толщиной менее ~ 1 мкм. Такие слои могут быть получены путём напыления в вакууме. В этом случае необходимо учитывать интерференционные эффекты, а также то, что полученная поликристаллическая плёнка по своим физико-химическим свойствам будет существенно отличаться и от монокристалла и от поликора.

Рисунок 2.5 - Спектр отражения лейкосапфира в ИК - области

Поэтому мы сочли возможным оценить величину коэффициента поглощения в области 10,6 мкм путём аппроксимации данных работы [315], в которой проведен тщательный обзор и анализ литературных сведений по значениям коэффициента поглощения в видимой и ИК - областях спектра (до 7 мкм) в диапазоне температур 300- 2300 К. Приведённые в работе [315] данные свидетельствуют об экспоненциальной зависимости коэффициента поглощения от длины волны. Предполагая, что в длинноволновой области эта зависимость сохраняется, мы аппроксимировали

зависимость коэффициента поглощения в область 10 мкм (рисунок 2.6). На этом рисунке приведены зависимости коэффициента поглощения от длины волны при разных температурах - от комнатной, до, близкой к температуре плавления, T = 2300 К. Характерно, что, несмотря на значительное влияние температуры на поглощение в области полупрозрачности (в области - до 7 мкм, по данным [315]), при экстраполяции в область 10 мкм влиянием температуры можно практически пренебречь. Коэффициент поглощения в области 10,6 мкм в диапазоне температур 300 - 2300 К таким образом оценивается - β = (2÷3)?10⁴см'¹.

Длина волны λ, мкм

Рисунок 2.6 - Зависимость коэффициента поглощения сапфира от длины волны при температурах: 1 - 300 К, 2 - 700 К, 3 - 1300 К, 4 - 1900 К, 5 - 2300 К.

Экспериментальные точки взяты из работы [315]

Косвенно это значение подтверждается результатами, изложенными в разделе 8.3, в которой методами металлофизики экспериментально исследованы особенности взаимодействия импульса излучения мощного CO₂- лазера с поверхностью пассивированного оксидированием дюралюминия. Наблюдались значительные

повреждения поверхностного слоя толщиной ~ 1 мкм. Морфология наблюдавшихся последствий воздействия, зафиксированная с помощью электронно-микроскопических исследований поврежденного слоя, показала, что выделение энергии лазерного импульса, а, следовательно, поглощение излучения произошло в слое толщиной около 1 мкм. Это, в свою очередь, позволило предположить, коэффициент поглощения излучения составлял величину порядка IO⁴см'¹.

В тоже время, следует отметить, что приведённые выше результаты не вполне совпадают с данными работы [316], в которой проведено расчетно-теоретическое исследование влияния величины коэффициента поглощения (принимаемого равным 1000 см'¹) концентрированного непрерывного излучения CO₂- лазера (600 Вт/см²); итогом являлась модель формирования поля температуры в процессе нагрева и плавления плоского слоя керамики из оксида алюминия.

Полученные результаты показывают, что на длине волны 10,6 мкм коэффициент отражения лейкосапфира составляет ~ 6% при коэффициенте поглощения (2÷3)?10⁴ см'¹, причём эта величина почти не зависит от температуры.