ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решена крупная научная проблема по разработке физических основ применимости оптических материалов для изготовления реальных зеркал мощных импульсных СО2 - лазеров и особенностей их эксплуатации.

Сформулирован единый методический подход к исследованию оптической стойкости таких различающихся между собой материалов, как медь и её сплавы, поликристаллический алмаз, полупроводниковые, щёлочно-галоидные и некоторые другие ионные монокристаллы.

Воздействие излучения импульсного СО₂ - лазера на эти материалы производилось в условиях максимально приближенных к реальным. Размеры облучённой зоны в большинстве экспериментов составляли ~ 1 см². Эксперименты проводились как на образцах материалов, серийно производимых промышленностью, так и на уникальных, специально изготовленных образцах. Целенаправленно поставленные физические

эксперименты сочетались с многолетним мониторингом резонаторных зеркал двух активно эксплуатировавшихся мощных импульсных СО₂ - лазеров с выходной энергией до 820 Дж в импульсе длительностью 4 ÷ 5 мкс.

Основные результаты работы

1. Показано, что в монокристаллах LiF, CaF₂и в поликристаллах MgF₂ (КО-1) экспериментально измеренное значение коэффициента поглощения 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, в области малой прозрачности.

2. Впервые исследовано влияние изотопической чистоты монокристаллов германия на фононные пики поглощения в ИК - области.

Ge ν уменьшался по сравнению с монокристаллами природного изотопического состава.

3. Впервые проведено комплексное исследование реальной оптической стойкости большинства материалов прозрачной силовой оптики СО2 - лазеров. Показано, что при плотности мощности излучения ≥ 10⁷ Вт/см², в большинстве случаев основной причиной повреждения оптического элемента является плазма низкопорогового пробоя воздуха, возникающего у поверхности образца, в которой поглощается периферийная часть воздействующего лазерного импульса.

4. Впервые теоретически и экспериментально исследованы нелинейные потери при прохождении излучения с плотностью мощности 10⁷÷ 4 ? 10⁸ Вт/см² через прозрачные материалы. Обнаружена и обоснована экспоненциальная зависимость потерь излучения в кристалле от ширины запрещённой зоны материала, объясняемая поглощением излучения на генерируемых «горячих» неравновесных носителях заряда.

5. Проведенный анализ повреждений оптических элементов из германия показал, что излучением мощного импульса СО2 - лазера повреждается только приповерхностный слой материала. Лавинный пробой в приповерхностном слое германия приводит к генерации неравновесных носителей заряда, которые поглощают часть излучения и предохраняют объём материала от повреждения.

6. Впервые систематически исследован и объяснён процесс возникновения объёмных полостей в щёлочно-галоидных кристаллах (ЩГК) при воздействии лазерного импульса. Получены зависимости

размера «лазерных пор» в различных ЩГК от условий воздействия, параметров воздействующего лазерного импульса и энергии кристаллической решётки. Изучена кинетика термического отжига возникших в ЩГК «лазерных пор», предложен и экспериментально подтверждён механизм их залечивания.

7. Впервые исследовано влияние конгломератов точечных дефектов, полученных путём воздействия ионизирующей радиации, целенаправленным введением в кристалл различных примесей, последующей термообработкой, на процесс «лазерного» порообразования в ЩГК.

8. Впервые обнаружен эффект аномального массопереноса при облучении сплава медь - хром импульсом СО2 - лазера с плотностью мощности ~ 10⁶ ÷ 10⁷ Вт/см² в направлении перпендикулярном лазерному лучу. Зафиксирована миграция большеугловых границ зерен, формирование блочной структуры, а также «растворение» частиц хрома в матрице, что возможно лишь при аномальном увеличении коэффициента диффузии (на несколько порядков). Результат объяснён передачей энергии лазерного импульса в упругую волну.

9. Впервые показано, что при длительной эксплуатации зеркал из меди и её сплавов возможно создание условий лазерной очистки рабочей поверхности, что в сочетании с последующей химической обработкой позволяет не только сохранить в процессе эксплуатации оптическое качество зеркал, но даже несколько увеличить коэффициент отражения по сравнению со свежеполированной поверхностью.

10. Проведено исследование особенностей взаимодействия импульса СО2 - лазера с поверхностью оксидированного дюралюминия. Впервые показано, что коэффициент поглощения излучения СО2 - лазера в оксиде алюминия составляет ~ 10⁴ см^-1 и пиковая часть лазерного импульса поглощается в тонком слое оксида, нагревая его до температуры кипения.

11. Благодаря комплексной модернизации, в том числе оптимизации параметров зеркал резонатора, удалось значительно увеличить выходную энергию излучения импульсного электроразрядного СО2 - лазера. Получено КПД преобразования электрической энергии в энергию излучения до 22%. Полный КПД установки достигал 13%, а удельный съём энергии излучения - 51 Дж/л. Эти результаты являются рекордными для подобных лазеров.

12. Впервые исследована оптическая стойкость образцов окон и зеркал из поликристаллического алмаза (ПА), получаемого химическим осаждением из газовой фазы, при воздействии излучения непрерывного волоконного иттербиевого лазера (λ = 1,07 мкм, мощность до 10 кВт).

центром окна (зеркала) и водоохлаждаемым краем, составляющем сотни градусов, качество распределения лазерного луча, прошедшего через окно в таких условиях, не ухудшалось, что позволяет эффективно корректировать неизбежно возникающую тепловую линзу.

13. Путём использования разработанных оптических элементов на реальной трассе длиной 263 м экспериментально получено когерентное сложение излучения 2-х импульсных СО2 - лазеров на удалённом объекте.

14. Впервые разработаны, изготовлены и успешно испытаны монокристаллические германиевые окна диаметром 420 мм, которые были использованы в составе уникального 4-х лучевого лазерного комплекса.