1.4 Оптические свойства металлических зеркал для CO2- лазеров

В отличие от прозрачных диэлектриков металл имеет комплексный показатель преломления. В металле световая волна затухает из-за интенсивного излучения электронами вторичных (отражённых) волн.

Рисунок 1.16 - Сопоставление перспективных материалов для подложек силовых лазерных зеркал в зависимости от их механических и тепловых свойств [107]

В работе [107] приведены данные о результатах цикла многолетних работ по созданию силовой (преимущественно зеркальной) лазерной оптики. До начала работы традиционные оптические элементы (окна; зеркала, нанесенные на стеклянные подложки) не выдерживали воздействия интенсивного оптического излучения.

Зеркальные покрытия отслаивались. Часть излучения, поглощенная в покрытиях в виде тепла, приводила к искажениям формы отражающей поверхности зеркал выше допустимых пределов и разъюстировке резонаторов.

Были сформулированы требования к оптическим материалам для изготовления силовых зеркал и проанализированы свойства известных материалов (рисунок 1.16). На этой схеме показаны перспективы материалов в зависимости от относительных значений их механических и теплофизических свойств. Ось ординат - отношение модуля Юнга к плотности, называемое удельной жёсткостью: ось абсцисс - % соотношения теплопроводности и коэффициента линейного расширения; за 100% принята величина Е/р бериллия.

Обычно в HK - оптике используют отражающие металлические покрытия толщиной до 2000 - 3000 А, нанесённые на полированную поверхность из стекла, кварца или ситалла. Однако вследствие сравнительно низкой теплопроводности подложки для работы с мощным лазерным излучением такие зеркала не пригодны. Для мощных технологических непрерывных CO₂- лазеров разработаны высокоотражающие металлодиэлектрические покрытия с коэффициентом отражения R ≥ 99,5% наносимые, обычно на подложки из кремния [286, 287]. Например, по данным ЗАО «Тидекс» [288], выпускаемые ими металлодиэлектрические зеркала способны работать при плотности мощности непрерывного излучения 1 кВт/см². В импульсном режиме они выдерживают до 1 Дж/см².

Однако для применения в мощных импульсных HK - лазерах этого недостаточно, и поэтому обычно используются цельнометаллические зеркала, поверхность которых иногда покрывается тонким однослойным влагозащитным покрытием [247]. Однако и эти покрытия могут снижать оптическую стойкость. В качестве примера приведём данные работ [289, 290]. Было исследовано взаимодействие интенсивного лазерного излучения с медными зеркалами, на которые наносились защитные алмазоподобные покрытия а - С:Н. Показано, что коэффициент отражения зеркал после нанесения покрытия не ухудшается, а порог возникновения оптического пробоя при воздействии излучения импульсного CO₂- лазера сложным образом зависит от технологии нанесения и условий хранения.

В случае применения зеркал в частотно-импульсных лазерах их делают охлаждаемыми [107].

В области 10 мкм высокий коэффициент отражения R ≥ 97% у следующих металлов: алюминий, медь, серебро, золото, молибден и бериллий (рисунки 1.17 - 1.20).

Серебро и золото, как драгоценные металлы, используются только для нанесения покрытий, причём серебро, ввиду слабой коррозионной стойкости, может быть использовано только с защитными покрытиями. Алюминиевые покрытия используются очень широко, так как они активно применяются и в других областях спектра, например, в УФ - области.

В таблице 1.6 приведены основные свойства металлов, наиболее перспективных для изготовления зеркал мощных CO₂- лазеров.

Таблица 1.6 Основные свойства металлов для изготовления зеркал мощных CO₂- лазеров.

а, - коэффициент линейного расширения (? 10⁶rpafl.'¹);

Удельная теплоёмкость, - Кал/(моль^хград.)

Теплопроводность Bt∕(m?K), в скобках указана температура

Н_Б - твёрдость по Бринеллю (? IO⁷Н/м²);

E - модуль Юнга (? IO¹⁰Н/м²);

P - плотность, г/см³;

σ_τ- предел текучести (? IO⁷Н/м²).

Данные по механическим свойствам взяты из справочника [273], остальные, за исключением отдельно оговоренных, из справочника [292].

Для изготовления облегчённых высококачественных зеркал, применяемых в космических аппаратах или иных ответственных приборах, иногда используют

бериллий. К сожалению, этот прекрасный материал обладает существенным недостатком. Он очень токсичен, поэтому для его получения и обработки требуются специальные условия, что резко ограничивает применимость [293.].

Рисунок 1.17- Коэффициент отражения различных металлов как

функция длины волны. А - полированное серебро; В - медь; C - алюминий; D - никель; F - углеродистая сталь [293]

Рисунок 1.18 - Спектр отражения серебряного покрытия с защитой на подложке из стекла К-8. Покрытие выдерживает протирку ватным тампоном, смоченном в ацетоне. Отражение измерено при угле падения 41 градус [294]

Тем не менее [291, 295-297], одним из основных направлений применения бериллия в настоящее время остается металлооптика, причём преимущественно космическая. Применение бериллия в ряде случаев позволяет существенно повысить

характеристики оптических зеркал по сравнению с изделиями из традиционных оптических материалов, таких как ситалл, плавленый кварц, стекло К-8. Отношение прочности к плотности у бериллия значительно выше, чем у авиационных сталей и сплавов на основе титана и алюминия.

Для оценки стабильности формы оптических изделий во время эксплуатации механические свойства материалов применяют показатель удельной жесткости. Среди известных конструкционных материалов бериллий обладает наименьшей плотностью (р) и максимальным модулем упругости (E), следовательно, он имеет рекордное значение удельной жесткости (Е/р). По удельной жесткости бериллий превосходит другие легкие металлы в 5 - 6 и более раз. Высокая удельная жесткость в сочетании с хорошей удельной прочностью позволяет снизить массу конструкции при повышении ее прочности и жесткости.

Весьма перспективными изделиями из бериллия являются сканирующие зеркала для аппаратуры, работающей в ПК - области спектра. Одна из основных технических проблем - получение качественной оптической поверхности на бериллии. В некоторых случаях для улучшения качества поверхности бериллия на нем создают конструкционное стеклянное покрытие толщиной несколько мм, на которое после оптической обработки наносится отражающее покрытие. Такие зеркала применяют при создании информационных систем.

В работах [291, 297] сообщается, что разработана технология получения конструкционных стеклянных покрытий на изделиях диаметром до 1000 мм, не содержащих дефектов в виде трещин и газовых пузырей, способных подвергаться оптической обработке шлифованием и полированием и сохраняющих свою целостность при заданных воздействиях динамических нагрузок и перепадов температур.

Кроме использования бериллиевых зеркал для работы в диапазоне коротких длин волн (λ ≤ 300.. .760 нм) весьма перспективным является их применение в инфракрасном диапазоне (λ=2,0... 12,0 мкм) в приборах для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса, а также в силовой лазерной оптике. Оптические элементы ИК - систем ДЗЗ могут использоваться в условиях глубокого космического холода (190...240 К), а у

2

силовых зеркал нагрузка может достигать 100 кВт/см [291, 295-297].

Максимально полная реализация рекордно высоких весо-жесткостных свойств бериллия при создании оптических зеркал предполагает наличие заготовок материала необходимого качества. Бериллий - элемент с малым межатомным расстоянием. Введение легирующей примеси создает сильные искажения кристаллической решетки, поскольку остальные металлы имеют гораздо большие размеры атомов, чем бериллий, а это ухудшает качество материала.

Рисунок 1.19 - Спектр отражения молибдена [230]

Молибден - прекрасный материал для зеркал CO₂- лазеров (рисунок 1.19). Он наиболее долговечен по сравнению с кремнием и медью, и может быть рекомендован для промышленного применения, когда грязь и пыль могут вызвать острые проблемы C другими типами зеркал. Молибден характеризуется высокой отражательной способностью, низким тепловым расширением и высокой твердостью. Отражательная способность зеркал из молибдена без покрытия на длине волны 10,6 мкм >98 %, так что эти зеркала применяют как с отражающим покрытием, так и без него. Молибденовые зеркала без покрытия представляют интерес в оптических системах, где отражательная способность не является первостепенной, но где важна долговечность. Поверхность молибденового зеркала без отражающего покрытия довольно долговечна и выдерживает менее квалифицированную и более грубую очистку, чем серебряное отражающее покрытие, имеющее защиту [230].

Однако наиболее широко в мощных импульсных и частотно-импульсных CO₂- лазерах применяются зеркала из меди или её сплавов. Небольшие добавки в медь

бериллия, циркония или хрома практически не влияют на оптические свойства, но заметно повышают механические [107, 298].

Рисунок 1.20 - Спектр отражения бескислородной меди в ИК - области [230]

Для изготовления лазерных зеркал, работающих в ИК - диапазоне, в том числе и охлаждаемых для высокомощных лазерных систем, необходимо использовать либо бескислородную медь высокого качества (рисунок 1.20), либо вышеупомянутые сплавы на её основе. В бескислородной меди марки МОБ содержится 99,97 % чистой меди, максимальное количество кислорода не превышает 0,001%. Медь характеризуется очень высокой теплопроводностью, что гарантирует максимальное качество лазерного излучения при предельных нагрузках. Для применения в маломощных лазерах не рекомендуется использовать медные зеркала, так как технология их полировки трудоёмка и, следовательно, они не дешевы. При эксплуатации медных зеркал необходимо учитывать, что это очень мягкий, пластичный материал, который легко затирается. При чистке рабочей поверхности этих зеркал должна соблюдаться максимальная осторожность, даже в том случае, когда они имеют защитное покрытие [230]. Для улучшения коррозионной стойкости на поверхность медного зеркала иногда наносят золотое покрытие.

Таким образом, перед началом работы, была поставлена задача - выявить предельно достижимые лучевые нагрузки на резонаторные зеркала мощных импульсных CO₂- лазеров и исследовать условия их длительной эксплуатации при таких лучевых нагрузках.