ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введенииобосновывается актуальность данной диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, основные защищаемые положения, представлены научная новизна, научная значимость и практическая ценность полученных результатов.

В главе 1кратко рассмотрены общие сведения о современных мощных импульсных СО₂ - лазерах и особенностях их конструкции, условия работы выходных зеркал и окон, а также основные факторы, влияющие на работоспособность таких лазеров. Рассмотрены основные физико-химические свойства прозрачных и высоко отражающих материалов для области спектра 10 мкм, в частности, свойства моно- и поликристаллических алмазов, а также оптические свойства материалов металлооптики. Проанализированы перспективы применения этих материалов в СО₂ - лазерах. Сформулированы общие требования и критерии для выбора оптических материалов мощных лазеров.

Выходную энергию СО₂ - лазеров обычно увеличивают за счёт роста апертуры, так как сравнительно низкая оптическая стойкость зеркал и окон не позволяет добиться требуемого выхода за счёт увеличения длины активной среды. Увеличение разрядного промежутка приводит к резкому росту напряжения в цепях питания. Апертуры таких лазерных систем достигают 700 ? 700 мм² при энергии на выходе в десятки кДж [3, 4].

Поэтому, с учётом совокупности физико - химических свойств, были выбраны материалы для проведения натурных экспериментов по исследованию эксплуатационных характеристик зеркал резонатора импульсного СО₂ - лазера. Это: германий и хлорид натрия, применяемые для изготовления полупрозрачных выходных зеркал, а также медь и сплавы на её основе для производства «глухих» зеркал.

Из этих материалов германий имеет самую большую твёрдость, что позволяет формировать из него высокоточные оптические детали, практичные в эксплуатации, поскольку они не взаимодействуют с атмосферной влагой, не токсичны, прочны, имеют хорошие теплофизические свойства.

Щёлочно-галоидные кристаллы NaCl и KCl имеют лучшие оптические свойства в области 10 мкм, однако они обладают крупными недостатками - хорошо растворимы в воде и хрупки.

Медь обладает хорошими оптическими и теплофизическими свойствами, но её недостатками являются невысокие механические свойства, а также низкая коррозионная устойчивость, что вызывает

необходимость улучшить эти свойства путём легирования металла упрочняющими добавками или нанесением на рабочую поверхность тонкоплёночных покрытий.

Рассмотрены главные механизмы разрушения прозрачных материалов излучением импульсных и непрерывных лазеров в области 10 мкм и методы исследования этих явлений. Изложены основные методики исследования оптической стойкости прозрачных кристаллов. Показано, что эти методики позволяют получать данные, характерные скорее для идеального кристалла, чем для реального, то есть оптическая стойкость определяется порогом лавинного пробоя в электрическом поле световой волны. Рассмотрено влияние поглощающих микровключений на процесс пробоя.

Проанализированы физические явления, определяющие величину коэффициента поглощения (β) в прозрачных материалах и пути получения кристаллов с минимальными значениями β.

Проанализированы оптико-физические свойства и перспективы применения алмазов в СО₂ - лазерах и других изделиях силовой оптики и электроники. Показано, что поликристаллические алмазы (ПА), получаемые химическим осаждением из газовой фазы, являются крайне перспективным материалом для СО₂ - лазеров.

Рассмотрены и проанализированы оптические свойства перспективных материалов для металлических зеркал СО₂ - лазеров.

В настоящей главе показано, что:

- предельное значение мощности излучения, которое выдерживают резонаторные зеркала, ниже оптической стойкости активной среды СО₂ - лазеров;

- требования к оптическим характеристикам являются максимальными практически по всем свойствам материалов, что не всегда достижимо и вынуждает идти на компромиссы и оптимизировать подбор материала в зависимости от конкретного применения в лазере;

- оптимизация оптической схемы конкретного мощного лазерного комплекса требует глубоких знаний свойств используемых материалов, возможностей улучшения технологии их получения и обработки, а также их реакций на лучевые воздействия.

Сформулировано, что на момент постановки настоящих исследований оставался ряд вопросов, данные по которым противоречивы, либо отсутствуют, или недостаточно освещены в литературе:

- были недостаточно изучены механизмы повреждения реальных оптических элементов излучением в присутствии плазмы низкопорогового оптического пробоя воздуха;

- недостаточно данных о характере прохождения излучения через

прозрачную оптику и механизма отражения металлических зеркал в присутствии низкопорогового оптического пробоя воздуха вблизи поверхности;

- недостаточно исследовано влияние поверхностных и объёмных дефектов структуры реального кристалла на его оптическую стойкость;

- недостаточно изучен процесс оптической усталости реальных лазерных зеркал и окон, то есть накопление повреждений при многократном воздействии излучением, плотность мощности которого несколько ниже пороговой;

- не были изучены особенности поведения силовой алмазной оптики;

- не был изучен механизм лазерно-химической очистки металлооптики;

- не были исследованы возможности восстановления оптических элементов мощных лазеров после длительной эксплуатации.

В главе 2изложены методики и результаты спектрофотометрических исследований использовавшихся в работе оптических материалов. Несмотря на то, что оптические свойства большинства материалов, исследовавшихся в настоящей работе, в основном, хорошо изучены, нами получены некоторые новые результаты, изложенные в данной главе.

Измерения спектров пропускания образцов проводились на двухлучевых ИК - спектрофотометрах «Perkin - Elmer - 580», «Hitachi - 225».

Исследовано фундаментальное поглощение в сверхтонких образцах (толщиной ~ 100 мкм) фторидов кальция, магния, лития в области 8 ÷ 12 мкм. Измерены зависимости коэффициентов поглощения от длины волны (λ). Получены значения β для λ = 10,6 мкм. Подтверждено, что экспериментально измеренное значение β(λ) в диапазоне 8 ÷ 12 мкм подчиняется теоретической зависимости - правилу Урбаха.

Сообщается о результатах исследования поглощения ИК - излучения в монокристаллах германия n-типа, использовавшихся в данной работе, в зависимости от величины удельного сопротивления, температуры и длины волны в области 2,5 ÷ 11 мкм. Цель данного исследования состояла в установлении взаимосвязи между электрофизическими и оптическими параметрами монокристаллического германия с минимальным значением β. Установлено, что зависимость коэффициента поглощения от длины волны подчиняется выражению β ~ λ^1,2. Величина β экспоненциально зависит от

температуры. Минимальное значение β наблюдалось в образцах n - типа с удельным сопротивлением ρ ~ 5 Ом ? см. Таким образом, путём оптимизации концентрации электроактивных примесей удаётся снизить величину коэффициента поглощения практически до фононного предела.

Так как известно, что в области 12 ÷ 14 мкм имеются полосы поглощения германия, обусловленные взаимодействием света с фононами [А28], встала задача изучения влияния изотопического состава Ge на положение этих полос. Эксперименты были проведены на образцах изотопически чистых монокристаллов германия ⁷⁰Ge и ⁷⁴Ge. В качестве образцов сравнения использовались оптически обработанные пластины из монокристаллов германия природного изотопического состава, выращенных на Запорожском титано-магниевом комбинате и в Тверском государственном университете из заведомо разных партий исходного сырья и полученных различными методами - Чохральского и Степанова. Обнаружено, что решёточные пики поглощения на частотах ν - 850, 755, 650 см^-1, наблюдаемые в монокристаллах германия природного изотопического состава, в моноизотопных кристаллах сдвигаются.

в Ge ν уменьшается по сравнению с монокристаллами природного изотопического состава.

Получена зависимость частот пиков решёточного поглощения ν в монокристаллах германия от массового числа М

ν = 1,6 ν₀? е"', (1)

где: ν0 - частота максимума соответствующей полосы фононного поглощения при М = 70; k - степенной коэффициент, находящийся в диапазоне 0,0062 ÷ 0,0072.

Исследованы оптические свойства кристаллов лейкосапфира в области 10,6 мкм. Величина β₁₀,₆ = (2÷3) ? 10⁴ см^-1 получена путём аппроксимации известных данных по значениям коэффициента поглощения в видимой и ИК - областях спектра (до 7 мкм) в диапазоне температур 300 ÷ 2300 К. Измеренный коэффициент отражения составил ~ 6%.

В главе 3изложены результаты исследования порогов плазмообразования вблизи оптической поверхности и влияния плазмы воздуха на прохождение лазерного импульса через прозрачный оптический элемент, а также морфологии возникающих в них повреждений. Воздействие импульса СО₂ - лазера на материалы производилось в условиях, максимально приближенных к реальным, при размерах пятна до ~ 1 см². Для этого излучение лазера собиралось на образцы длиннофокусной линзой, то есть, на мишень воздействовал почти параллельный лазерный луч, что позволило усреднить влияние отдельных микродефектов кристалла на его оптическую стойкость в целом, и в то же время исследовать морфологию возникающих в них повреждений

методами физики конденсированного состояния.

За энергетический порог оптической стойкости реальных оптических элементов принималась средняя плотность энергии лазерного импульса на образце, при которой возникали заметные обратимые или необратимые изменения оптических характеристик детали, либо повреждения, препятствовавшие её дальнейшей эксплуатации.

При плотности энергии воздействующего импульса W_e1~ 10 Дж/см² перед поверхностями большинства образцов возникал низкопороговый оптический пробой воздуха.

Разница между порогами пробоя перед мишенями из различных материалов практически не превышала величину разброса порогов для образцов из одного материала. Порог пробоя перед поверхностью прозрачного образца на порядок ниже порога оптического пробоя воздуха при том же сечении лазерного луча и весьма близок к порогу возникновения низкопорогового оптического пробоя воздуха перед непрозрачной преградой. В главе 6 показано, что аналогичный эффект наблюдался и при воздействии излучения на металлические зеркала.

Плазма пробоя с момента времени отсечки (τ_ОТС) практически полностью поглощала лазерное излучение. В нашей работе временем отсечки называется время прозрачности оптического элемента, то есть временной промежуток от начала генерации до момента, когда максимальная интенсивность прошедшего через кристалл излучения снижалась в е раз. Поэтому величина порога пробоя, даже в отсутствие заметных следов повреждения образца, принималась нами за величину реального порога оптической стойкости. Воздействие излучением допороговой интенсивности не генерировало существенных повреждений в кристаллах, препятствовавших их дальнейшей эксплуатации.

В диапазоне W_p1 = 10⁷÷ 4 ? 10⁸ Вт/см² при размерах луча на кристалле 3 ? 4 мм² исследована динамика прохождения лазерного импульса. Импульсы генерации и излучения, прошедшего через образец, регистрировались фотоприёмниками на эффекте фотонного увлечения дырок в германии (ФП). В процессе работы разработан и изготовлен из

монокристалла Ge p - типа оригинальный фотоприёмник с перестраиваемыми чувствительностью и временным разрешением.

Оптический пробой воздуха лабораторного помещения измерялся с целью калибровки. С вероятностью 0,5 он происходил при W_P1~ 200 МВт/см², что соответствует данным монографии [8]. При пробое пиковая часть импульса проходила через воздушную плазму 6ез заметных искажений. Амплитуда сигнала практически не уменьшалась, а τ_ОТС флуктуировало случайным образом от импульса к импульсу.

Введение прозрачного образца в луч заметно изменяет картину пробоя - порог резко снижается. При W_p1 = 20 ÷ 50 МВт/см² вблизи поверхности кристалла возникает оптический пробой воздуха и наблюдается эффект отсечки. Время отсечки уменьшается с ростом W_P1и практически не зависит от свойств материала. Зарегистрированные значения τ _ОТС находятся в диапазоне 0,2 ÷ 1,2 мкс и хорошо воспроизводятся от импульса к импульсу в пределах точности измерений. Время отсечки не зависит от материала образца и определяется интенсивностью воздействующего излучения. Следовательно, поглощение периферийной части лазерного импульса происходит, главным образом, в плазме пробоя воздуха. Аналогичные эффекты наблюдались и при исследовании отражения от медных зеркал (глава 6).

Рисунок 1 - Экспериментально измеренная зависимость отношения амплитуд прошедшего импульса к воздействующему (Wp₂∕(1-β)Wp₁) от ширины запрещенной зоны материала

Экспериментально определены нелинейные потери при прохождении пиковой части лазерного импульса (в диапазоне W_p1 = 10⁷ ÷ 4 ? 10⁸ Вт/см²) через материалы, прозрачные в области 10 мкм (рисунок 1). Выявлены причины возникновения потерь, возрастающих с увеличением W_pi.Воздействие переднего фронта импульса генерирует появление в кристалле горячих неравновесных носителей заряда, поглощающих излучение. Нелинейные потери излучения на них экспоненциально растут с уменьшением ширины запрещённой зоны кристалла. Зависимость, показанная на рисунке 1, аппроксимируется выражением

Wp2 ≈ 0,365(1-Λ) ? Wpi ? exp(0,23 ∆ Eg). (2)

Коэффициент 0,365 ~ 1/e, а коэффициент 0,23 имеет размерность VιkT, где Т - некая характеристическая температура. Тогда уравнение (2) можно представить в виде

где параметр Т ~ 2,5 ? 10⁴ К.

Продемонстрирована принципиальная возможность увеличения пиковой мощности проходящего через оптический элемент излучения за счёт профилирования заднего фронта импульса.

Установлено, что плазменный факел является источником разного рода вторичных воздействий на оптический элемент. Разлёт плазмы при температуре ~ 10⁴ K происходит с достаточно высокой скоростью и приводит к появлению заметных повреждений поверхности.

Повреждение ЩГК заключалось, прежде всего, в растрескивании приповерхностного слоя грани, вблизи которой наблюдалась плазма. Глубина трещин достигала ~ 1 мм, а иногда и более. В приповерхностном слое возникали короткоживущие центры окраски, отжигавшиеся при комнатной температуре за 2 ÷3 мин. Поверхность пластичных ионных кристаллов, соприкасавшаяся с плазмой, приобретала достаточно устойчивую окраску и изменяла свою форму вследствие пластической деформации. Это заметно снижало пропускание кристалла в области 10 мкм. Кристаллы Ge и GaAs плазмой факела практически не поражались.

Повреждения собственно лазерным излучением в этом случае незначительны и не приводят к немедленному выходу из строя оптического элемента, но ухудшают его оптическое качество и имеют склонность к накоплению. В объёме большинства кристаллов после воздействия излучением с W_e~ 2 ÷ 5 Дж/см² возникали рассеивающие центры размером до 30 ÷ 100 мкм, окружённые полями внутренних напряжений, хорошо видными в поляризованном свете. Эти повреждения вызваны наличием в материалах поглощающих микронеоднородностей, исходные размеры которых не позволяют выявить их с помощью оптической микроскопии.

Наличие подобных структурных дефектов в приповерхностном слое оптических элементов зачастую приводит к образованию микрократеров на поверхности. Подробнее эти эффекты рассмотрены в главе 5.

При многократном воздействии сверхпороговым излучением образцы исследованных ЩГК выдерживали не более 6 ÷ 8 импульсов, после чего они катастрофически разрушались. Интенсивность прошедшего через них при этом излучения снижалась на 1,5 ÷ 2 порядка. Пластичные ионные кристаллы, хотя и не разрушались катастрофически, но возникшие в них повреждения также накапливались и препятствовали прохождению излучения. Наиболее стабильны в этом случае монокристаллы германия. Интенсивность прошедшего через них сигнала снижается только вдвое после 5 ÷ 10 импульсов, а повреждения локализуются исключительно в приповерхностном слое.

Экспериментальные исследования, описанные в настоящем разделе, обусловлены, прежде всего, практическим применением лазеров, а именно, необходимостью определения предельных значений плотностей энергии и мощности, которые могут быть выведены через прозрачный элемент. Эти данные имеют практическую значимость, так как некоторые материалы не претерпевают катастрофического разрушения при сверхпороговом воздействии.

Результаты, полученные в настоящей главе, сопоставлены с физико­химическими свойствами использованных материалов. Сделан вывод, что значительный интерес для оптики импульсных СО₂ - лазеров представляют: германий, как материал, способный без катастрофического разрушения выдерживать значительные лучевые перегрузки, и хлористый натрий, как материал, обладающий лучшими оптическими свойствами на длине волны генерации.

В главе 4изложены экспериментальные результаты исследования морфологии повреждений в монокристаллах Ge после воздействия излучения мощного импульсного СО₂ - лазера. Исследования проводились как на серийно выпускаемых промышленностью монокристаллах марки ГМО (германий монокристаллический оптический), обработанных по технологии, применяемой в оптической промышленности, так и на специально выращенных образцах бездислокационных кристаллов, поверхность которых полировалась химически по технологии, используемой в полупроводниковой промышленности. При анализе этих двух технологий обработки была создана новая технология химико­механического полирования (ХМП) германия, позволяющая создавать высокоточные оптические детали из монокристаллического Ge. Поверхность таких деталей обладала минимальной величиной нарушенного слоя.

Методами световой и электронной микроскопии и рентгеновской

томографии исследованы морфология повреждений оптических элементов из Ge мощным импульсом СО₂ - лазера. Показано, что в диапазоне амплитудных значений плотности мощности излучения 2 ? 10⁶ ÷ 4 ? 10⁸ Вт/см² реализуются два основных типа повреждений.

При W_p1< 4 ? 10⁷ Вт/см² наблюдаются очаги локальных

микроразрушений приповерхностного слоя. Локальные микроразрушения, возникающие при W_p1< 4 ? 10⁷ Вт/см² вследствие пробоя либо на поглощающих микронеоднородностях типа кластеров, находящихся в приповерхностном слое, либо на дефектах оптической обработки, являются результатом микровзрывов, образующих кратеры, окружённые характерной плёнкой продуктов выброса. На поверхности вокруг кратеров часто наблюдается волновая картина, являющаяся, видимо, результатом последействия поверхностных ударных волн, возникающих при взрыве, с давлением на фронте выше предела упругости материала.

Воздействие лазерного излучения с плотностью мощности более 4 ? 10⁷ Вт/см² приводит к оплавлению слоя глубиной 1 ÷ 3 мкм, что объясняется генерацией лавинного пробоя в приповерхностном слое германия. Поглощение на неравновесных носителях заряда приводило к выделению большей части энергии лазерного импульса в этом слое, что предохраняло объём оптического элемента от поражения излучением сверхпороговой интенсивности. Выявление этого эффекта дало возможность установить, что оптические детали из германия повреждались излучением лишь частично, в приповерхностном слое. Этот факт позволил полностью восстанавливать их путём переполировки.

В главе 5изложены экспериментальные результаты исследования морфологии объёмных и поверхностных повреждений, возникающих в щёлочно-галоидных монокристаллах NaCl, KCl, KBr и RbI в результате воздействия излучением мощного импульсного СО₂ - лазера. Проведены исследования как на серийно выпускаемых монокристаллах, так и на специально выращенных образцах с контролируемым уровнем примесей. Эксперименты проводились как на оптически полированных образцах, так и на образцах, выкалываемых непосредственно перед воздействием по плоскостям спайности {100}. Эти поверхности соприкасались с лабораторным воздухом не более 1 мин, что во многом снижало влияние атмосферной влаги на полученные результаты.

Обнаружено, что в ЩГК, выращенных в атмосфере воздуха, в результате воздействия импульса СО₂ - лазера с плотностью мощности 10⁶ ÷ 10⁷ Вт/см² возникали микрополости размером до 30 ÷ 100 мкм. Объёмная плотность этих полостей достигала ~ 10⁵ см^-3.

Исследована статистика распределения полостей по размерам в зависимости от условий воздействия. Установлено, что полости возникали вследствие оптического пробоя на поглощающих микронеоднородностях,

появившихся, видимо, при коагуляции посторонних примесей, преимущественно анионных, причём природа этих примесных центров сходна в NaCl, KCl, KBr и RbI.

Обнаружена фотоионизация примесных центров коротковолновой составляющей излучения плазменного факела, заметно снижавшая порог пробоя на этих микронеоднородностях.

Размеры и концентрация полостей, возникших при воздействии излучением длительностью до 1 мкс, прошедшем через плазму оптического пробоя воздуха перед входной поверхностью образца, идентичны в NaCl, KCl, KBr и RbI. В среднем они составляли ~ 20 мкм и ~ 3 ? 10⁴ см^-3, соответственно.

Размеры полостей в ЩГК, возникших в результате воздействия излучением длительностью до 5 мкс, определялись свойствами материала и подчинялись экспериментально найденной зависимости среднего значения массы материала т_ср, вынесенного из полости (в сферическом приближении), от энергии кристаллической решётки - ξ (рисунок 2):

т_Ср ≈ 0,07-ехр(-0,09^). (4)

Рисунок 2 - Зависимость массы материала, вынесенного из полости, от энергии решетки кристалла

Для такого воздействия характерно наличие максимального размера полостей, увеличить который путём роста плотности энергии излучения,

выделившегося на дефекте, не удаётся, вследствие развития из полости магистральных макротрещин и последующего катастрофического разрушения всего образца. В уравнении (4) коэффициент α = 0,09 можно представить в виде 1/RT,где Т ~ 5500 K - некоторая характеристическая температура, имеющая физический смысл средней температуры плазмы внутри полости Т_п.

Анализ экспериментальных данных позволяет считать, что в момент образования полостей в них возникал оптический пробой на микронеоднородностях кристалла, приводящий к появлению в объёме образца плазменных образований со средней температурой Т_п ~ 5500 К и давлением порядка 10⁴ кГ/см². Так как Формирование микрополостей происходило в объёме кристалла, то возникли условия разрушения материала, близкие к условиям разрушения идеального кристалла. Механическая прочность идеальных ЩГК ~ 10⁴ кГ/см². Образование полости происходит, в основном, во время действия импульса излучения за счёт двух основных процессов - испарения на фронте волны поглощения (скорость волн поглощения ~ 5 м/с) и пластической деформации. Эти данные численно согласуются с известными теоретическими расчётами.

Исследование поражённых образцов в поляризованном свете показало, что микрополости являются центрами значительных внутренних напряжений, выявляемых по розеткам двойного лучепреломления, имеющих размер до ~ 1 мм.

Исследована кинетика отжига лазерных микрополостей при предплавильной температуре (на образцах из кристаллов KCl). Показано, что полости залечивались термическим отжигом при атмосферном давлении внешней среды благодаря релаксации полей внутренних напряжений, локализованных вокруг них. На основе этого явления предложен метод частичной реставрации элементов лазерной оптики из ЩГК.

Впервые изучено влияние ионизирующей радиации на процесс объёмного порообразования в NaCl при поражении импульсом излучения СО₂ - лазера. Показано, что ни F -, ни М - центры сами по себе не способствовали возникновению полостей. Однако, эти центры склонны к термически активируемой коагуляции с последующим образованием коллоидальных частиц металла, которые резко снижают порог оптического пробоя и инициируют процесс порообразования. Полученные данные необходимо учитывать при разработке лазеров, использующих для накачки ионизирующее излучение, например, электроионизационных лазеров.

В кристаллах NaCl и KCl, специально очищенных от посторонних примесей путём выращивания в атмосфере фосгена (содержание как анионных, так и катионных примесей не превышало 10^-6 вес. %), следы объёмного пробоя отсутствовали и при заметном превышении порога

образования плазменного факела перед поверхностью образца (при плотности энергии до ~ 50 Дж/см²).

На основе полученных в данной главе результатов предложен и апробирован новый способ определения оптической однородности в прозрачных материалах, основанный на локальном нагреве импульсным лазерным излучением микро- и наноразмерных поглощающих микронеоднородностей путем выявления нагретых дефектов с помощью тепловизионного прибора.

В главе 6представлены результаты исследования оптической стойкости медных зеркал для мощных импульсных СО₂ - лазеров.

При изучении поведения медных зеркал мощного импульсного электроразрядного СО₂ - лазера, вблизи поверхности которых при плотности энергии 5 ÷ 10 Дж/см² происходит низкопороговый оптический пробой воздуха, обнаружено, что пик импульса проходил через плазму почти без потерь. Через ~ 0,5 ÷ 1 мкс после начала генерации прохождение излучения практически прекращалось - наблюдался эффект отсечки излучения. На поверхности зеркал заметные повреждения не наблюдались. В отличие от случая прохождения импульса излучения СО₂ - лазера через прозрачные материалы, изложенного в главе 3, при отражении от зеркала лазерный луч проходит через плазменное образование дважды, поэтому эффект отсечки проявляется ярче.

Рисунок 3 - Зависимость отношения W_EOTp/ Рисунок 4 - Зависимость отношения t₃/t_H

W_eiот плотности энергии от плотности энергии ЛИ. W_p1-

воздействующего ЛИ для двух вариантов - плотность энергии в пике импульса, а Wpι ∕W_p0,₅ = 2 и 3 W_{uz5 -}течение первых 0,5 мкс импульса

Приводятся результаты экспериментального исследования изменения доли отраженного от поверхности лазерного излучения в зависимости от средней плотности энергии и формы импульса. Получена зависимость времени отсечки от энергии и формы воздействующего и отражённого

импульсов (рисунки 3, 4). Энергетический порог развития непрозрачности плазмы ^V_E)определяет минимальную плотность энергии в лазерном импульсе (ЛИ), при превышении которой проявляется эффект непрозрачности. Время У - время нарастания оптической плотности плазмы до некоторой величины Нф_ит, при которой она становится непрозрачной.

Методом дифракционной электронной микроскопии исследована структура образцов сплава медь - хром размером 50 ? 10 ? 0,1 мм³ на глубине 50 мкм от поверхности после облучения импульсом 10⁷ Вт/см². И под пятном облучения (1 см²), и на заметном удалении от него зафиксирована миграция большеугловых границ зерен, формирование блочной структуры, а также «растворение» частиц хрома в матрице, возможное лишь при аномальном увеличении коэффициента диффузии (на несколько порядков). То есть обнаружен эффект аномального массопереноса в направлении перпендикулярном лазерному лучу, причем не только под зоной облучения, но и вне неё. Результат объяснён передачей энергии лазерного импульса в упругую волну.

При воздействии лазерного излучения на поверхность металла наблюдались светящиеся пятна, выделяющиеся своей яркостью на общем фоне облучённой зоны. Предполагается, что яркие локальные участки в пятне облучения возникали на поверхностных образованиях, существенно отличающихся своими оптическими и теплофизическими свойствами от чистой поверхности металла. Это могут быть, например, участки поверхности металла, покрытые тонкой диэлектрической поглощающей пленкой. Кроме того, в процессе шлифовки и полировки приповерхностный слой зеркала шаржируется частицами абразива, также поглощающими лазерное излучение. На таких образованиях заметно увеличивается поглощение света, а их нагрев значительно превышает соответствующую величину поглощения самого металла. Естественно, что наличие подобных образований на зеркале не только снижает интегральный коэффициент отражения по сравнению с чистой поверхностью, но и повышает вероятность оптического пробоя.

Далее сообщается об экспериментальных исследованиях длительной эксплуатации реальных медных зеркал импульсного CO₂- лазера в условиях максимально возможной лучевой нагрузки - в резонаторе лазера. Перед установкой в лазерную кювету измерялся коэффициент зеркального отражения (К3О) зеркала. После цикла эксплуатации (~ 10³пусков) зеркало снимали и определяли К3О, снизившийся в процессе эксплуатации.

Длительная эксплуатация в среде газового разряда приводила к образованию на поверхности зеркала темной пленки. Она состояла в основном из продуктов разложения легкоионизуемой присадки (три - n - пропил-амина) в плазме газового разряда. Эта плёнка заметно ухудшала оптические параметры зеркала в видимой и ИК - областях спектра, но препятствовала окислению

поверхности при лазерном «выгорании» поглощающих включений. 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 оптическое качество. Сей факт и послужил причиной разработки бесконтактной технологии химической очистки зеркал азеотропной смесью на основе тетрафтордибромэтана, с помощью которой проводилась реставрация зеркал по окончании цикла эксплуатации. После очистки повторно замерялся К3О.

Показано, что при длительной работе зеркал в атмосфере активной среды лазера возможно создание условий лазерной очистки, а сочетание её с последующей химической обработкой позволило не только сохранить оптическое качество зеркал, но и даже несколько увеличить коэффициент отражения (с 98,5% до ≥ 99%). Таким образом, достигнут практический результат - многолетняя работа зеркал происходила без заметного необратимого ухудшения основных оптических параметров, что позволило предложить метод лазерно-химической очистки металлических поверхностей.

Глава 7посвящена исследованию возможности применения поликристаллических алмазов (ПА) для изготовления оптики мощных лазеров, а также некоторых других высокотехнологичных изделий. Проведён краткий анализ технологий получения и обработки алмаза; эффективность применения алмаза показана на примере некоторых новых высокотехнологичных устройств, таких как приборы силовой оптики и силовой электроники.

Ранее показано (глава 5), что стойкость кристаллов в лазерном луче во многом коррелирует с величиной энергии кристаллической решётки. В алмазе сочетание малой атомной массы углерода и сильной ковалентной связи определяет его уникальные оптические, механические и физико­химические свойства. Выращиваемые в настоящее время кристаллы алмаза пока не полностью соответствуют требованиям к оптике импульсных лазеров из-за высокой концентрации поглощающих включений. Однако, даже получаемый в настоящее время материал уже широко применяется для изготовления окон мощных технологических щелевых СО₂- лазеров.

В данной работе испытания лазерного окна на основе поликристаллического алмаза были смоделированы с использованием серийно выпускаемого промышленностью непрерывного иттербиевого волоконного лазера ЛС - 10 фирмы ООО НТО «ИРЭ-Полюс» мощностью до 10 кВт (λ = 1,07 мкм). Это обусловлено следующими причинами:

- волоконные лазеры активно применяются в промышленности, имеют стабильную, регулируемую мощность, распределение в пятне, близкое к Гауссовскому, и поэтому удобны при эксплуатации;

- для эксперимента были выбраны пластины ПА, имеющие коэффициент поглощения на длине волны этого лазера существенно больший, чем величина β₁₀,₆. Поэтому наблюдавшиеся термооптические эффекты соответствовали результатам воздействия непрерывного СО₂- лазера мощностью несколько десятков кВт.

Также, полученные результаты могут быть полезны для оценки перспектив применения алмазной оптики для лазеров, как видимого, так и ближнего ИК - диапазонов, несмотря на то, что в этой области эффективно используются традиционные оптические материалы: стекла, сапфир и т.д. Следует отметить, что помимо твердотельных лазеров (λ ~ 1,06 мкм), кислородно-йодного лазера (λ ~ 1,3 мкм), активно развиваются лазеры на парах щелочных металлов с диодной накачкой, излучающие в области ~ 0,9 мкм [9].

Для проведения экспериментов была разработана и изготовлена специальная конструкция узла охлаждения из бескислородной меди.

Рисунок 5 - Зависимость максимальной температуры T разогрева окна от мощности P в пятнах с 0 4 мм и 0 0,4 мм. T_max- разогрев в центре;

T₁- разогрев в 3 мм от центра

В качестве образцов использовали пластины из ПА 0 25 ?1,3 мм³ с β₁,₀₇~ 0,45 см^-1, что в 5 - 10 раз выше, чем β₁₀,₆. Регистрировали распределение излучения, прошедшего через окно, и динамику распределения температур в пределах окна (с помощью тепловизора) при размерах облучённых зон 0 4 мм и 0 0,4 мм и времени экспозиции до 10 с. То есть условия теплообмена в водоохлаждаемой пластине ПА были близки к стационарным. Мощность лазера на образце постепенно повышали от 1 до 9 кВт. При большем пятне (0 4 мм) нагрев носит линейный характер, а при фокусировке в пятно 0 0,4 мм получена нелинейная зависимость

разогрева центра диска (T_max) от мощности излучения P (рисунок 5).

Подобранный режим охлаждения позволил не ухудшать качество прошедшего луча при плотности мощности до 7 МВт/см², что позволяет корректировать возникающую тепловую линзу. Так же важно оптимизировать расход охлаждающей жидкости (воды). На рисунке 6 наглядно показано как пониженный расход воды (2 л/мин при пятне 0 0,4 мм и мощности 2,7; 4,5; 7,2; 8,1 кВт за время 10 с и 9 кВт за время 5 с) влияет на распределение излучения в луче.

Также в экспериментах исследовалось специально разработанное и изготовленное А.Д. Дроботом и В.В. Морщаковым 25-слойное интерференционное зеркало на алмазной подложке. Коэффициент отражения на λ = 1,06 мкм составлял ~ 99,5 %. Диэлектрическое неохлаждаемое зеркало на ПА разрушилось через 1 с при воздействии излучения 7,0 кВт (плотность мощности - 8,2 МВт/см²). Заметных изменений в качестве отражённого излучения до достижения этого порога не зафиксировано.

Рисунок 6 - Распределение интенсивности прошедшего излучения в случае пониженного расхода воды - 2 л/мин при пятне 0 0,4 мм и мощности 2,7;

4,5; 7,2; 8,1 кВт за время 10 с и 9 кВт за время 5 с

Известно, что монокристаллические алмазы обладают гораздо лучшими оптическими свойствами, чем ПА. Однако, их габаритные размеры недостаточны для изготовления реальных окон мощных лазеров. С уменьшением длины волны эта разница становится ещё более заметной. Полученные данные позволили предложить использовать для изготовления лазерных окон комбинированные алмазные пластины с центральной монокристаллической зоной и поликристаллической периферией. В этом случае центральный монокристалл с хорошими оптическими свойствами может использоваться для вывода излучения, а периферийная поликристаллическая часть предназначается для вакуумирования и эффективного охлаждения.

Преимущества ПА имеют место при использовании не только в лазерной оптике, но и в силовой электронике. В данной работе 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). Проведены испытания устройств, в

26

которых поликор был заменен на алмаз; для эксперимента был выбран так называемый «серый алмаз» с теплопроводностью ~ 10 Вт/смхК, то есть вдвое ниже, чем у оптических ПА. Установлено, что применение таких подложек из ПА на порядок увеличило рассеиваемую мощность нагрузок. Пластины исследуемого ПА, являющиеся технологическим браком для применения в оптике, могут быть эффективно использованы в силовой электронике.

В главе 8подводятся некоторые практические итоги изучения физико­химических особенностей материалов для создания на их основе силовой оптики СО₂ - лазеров и исследования лазерных систем, выполненных в АО «НЦЛСК «Астрофизика».

Рисунок 7 - Общий вид экспериментальной установки стенда для исследования характеристик импульсных электроразрядных лазеров. Лазерные кюветы с окнами Брюстера из монокристаллов NaCl диаметром 300 мм. Размеры рабочего объёма 1-й секции ~ 10?10?40 см

Проведена оптимизация параметров резонатора мощного импульсного СО₂ - лазера. Приведены экспериментальные данные об улучшении характеристик четырёхсекционного импульсного электроразрядного СО₂ - лазера (рисунок 7) [А10] на основе практических рекомендаций и выводов работы. Резонатор лазера длиной 3000 мм был образован вогнутым зеркалом из бескислородной меди марки МОБ с радиусом кривизны 40000 мм и плоскопараллельной прозрачной пластиной в качестве выходного зеркала. Как правило, выходное зеркало выполняло также функцию выходного окна между активной средой лазера и атмосферой. Диаметр зеркал - 160 мм. Оптические параметры медных зеркал и результаты

исследования их свойств приведены в главе 6. Выходные зеркала - это плоскопараллельные пластины, изготовленные либо из монокристаллов германия, результаты исследования которых, изложены в главах 3 и 4, либо из монокристаллов NaCl (главы 3 и 5).

На рисунках 8 и 9 представлены зависимости энергии лазерного импульса (Е) от длины активной среды (L) и от коэффициента отражения выходного зеркала (К).

В результате проведённых исследований, сочетая оптимизацию оптических характеристик зеркал резонатора и параметров легко ионизуемых присадок в активную среду, удалось получить выходную энергию излучения 820 Дж. КПД преобразования электрической энергии накачки в энергию выходного лазерного излучения составил 22%. Удельный съём энергии выходного излучения в этом случае удалось довести до 51 Дж/л, а полный КПД - до 13%. Этот результат в настоящее время является рекордным для лазеров данного типа.

Проведены экспериментальные исследования когерентного сложения излучения двух широкоапертурных импульсных СО₂ - лазеров. В экспериментах использовались две лазерные кюветы, объединенные общим модовым и активным объемами телескопическим неустойчивым резонатором со сходящимся лучом. При одновременном включении всех секций двух лазеров, объединённых этой схемой, суммарная энергия достигала 200 Дж в импульсе (мощность в пике до 2 ? 10⁸ Вт), при расходимости ~ 10^-3 рад. На расстоянии 263 м зарегистрирована

интерференция при сложении 2-х пучков излучения импульсных СО₂ - лазеров при минимальном угле схождения лучей.

Рисунок 8 - Зависимости энергии лазерного импульса Е от длины активной среды L (1 - присадка 3 - n - пропил-амин, 2 - присадка метаксилол)

Рисунок 9 - Зависимости энергии лазерного импульса Е от коэффициента отражения выходного зеркала К при L (см)= 40 (1); 80 (2);

120 (3) и 160 (4)

Рисунок 10 - Участок поверхности дюралюминия (РЭМ) после воздействия

Рисунок 11 - трехмерное изображение характерного участка зоны облучения, интерферометр «Zygo», размер кадра 1796 х 1347 мкм

Выполнены исследования микроструктуры поверхности оксидированного алюминия методами электронной (рисунок 10) и атомно - силовой микроскопии, рентгеноспектрального анализа и оптической профилометрии (рисунок 11) после воздействия на площадь ~ 100 см² мощного импульса СО₂ - лазера (Е ~ 500 Дж, τ = 5 мкс, в головной части ~ 200 нс). Слой Al₂O₃, имевший толщину ~ 7 мкм, в результате неравновесного нагрева вплоть до температуры испарения,

модифицировался с образованием поликристаллического конгломерата из ряда стехиометрических и не стехиометрических фаз оксидов алюминия и его соединений с марганцем (Mn) и с магнием (Mg).

Известно (глава 6), что при плотности мощности ≥ 10⁷ Вт/см² в атмосфере воздуха воздействие микросекундного импульса СО2 - лазера на металл инициирует низкопороговый оптический пробой воздуха. Плазма поглощает большую часть излучения и экранирует металл от его дальнейшего воздействия. Поэтому на металле обычно, как и в настоящем случае, не наблюдается следов поражения. Но на оксидированном дюралюминии (Д16) мы наблюдали модификацию поверхности.

Рентгеноструктурные исследования показали, что элементный состав покрытия, которое после лазерного воздействия несколько утонилось, не изменился и состоит преимущественно из Al и кислорода с примесью серы, а фазовый состав изменился существенно. В зоне облучения образовался поликристаллический конгломерат, состоящий из многочисленных неравновесных фаз оксидов Al (моноклинный, гексагональный, ромбоэдрический Al₂O₃) и его соединений с Mn (Al₆Mn, Alι₉Mn₄) и с Mg (Al₃Mg₂, Al₁₂Mg₁₇, AlMg). По итогам экспериментов сделан вывод, что излучение пика импульса поглощается в Al₂O₃с β ~ 10⁴ см^-1 и нагревает слой оксида толщиной ~ 1 мкм до температуры кипения.

В заключениисформулированы основные результаты и выводы работы и приводится список публикаций по теме диссертации.