Стойкость алмазной оптики в луче мощного волоконного лазера

Как показано в главе 1, окно мощного лазера является одним из наиболее уязвимых узлов его конструкции и во многом определяет его выходные характеристики.

Основное требование к лазерному окну: волновой фронт лазерного луча не должен заметным образом искажаться при прохождении через оптический элемент.

В главе 1 показано, что традиционно применяемые для изготовления прозрачной оптики CO₂- лазеров, оптические материалы ZnSe и KCl при таких нагрузках часто выходят из строя, что может привести к катастрофическому разрушению выходного окна, способному повлечь за собой не только остановку весьма сложного технологического процесса, но и значительное повреждение электродной системы и других узлов лазера. Для оценки возможности использования окон из ПА в подобных лазерах были поставлены описанные ниже модельные эксперименты. Учитывая сложности проведения эксперимента на 20-киловаттном CO₂- лазере, сопряженные со значительными организационно-техническими трудностями, было проведено моделирование процесса работы лазерного окна с использованием серийно выпускаемого промышленностью непрерывного иттербиевого волоконного лазера JIC - 10 фирмы ООО НТО «ИРЭ-Полюс» с выходной мощностью до 10 кВт (длина волны - 1,07 мкм) (рисунок 7.5) [А13, А35].

Рисунок 7.5 - Внешний вид 10 - киловаттного непрерывного волоконного иттербиевого лазера

Это решение обусловлено двумя причинами:

1.

2. Для эксперимента мы выбрали пластины ПА, имеющие коэффициент поглощения на длине волны этого лазера существенно выше, чем величина β₁₀₆, поэтому наблюдавшиеся термооптические эффекты соответствовали результатам воздействия непрерывного CO₂- лазера мощностью несколько десятков кВт.

В то же время известно, что коэффициент поглощения ПА на длине волны 1,07 мкм (β = 0,003-0,03 см'¹) [399] может быть заметно ниже, чем для λ=10,6 мкм. В монокристаллах эта величина ещё привлекательней - β₁₀₆= 0,0002-0,008 см'¹[400-407]. Однако, изменяется и доля рассеянного излучения. Для 10,6 мкм это ~ 0,5%, а для 1,06 мкм ~ 2,5% [400]. Тем не менее, на наш взгляд, полученные результаты могут быть интересны и полезны для оценки перспектив применения алмазной оптики и для лазеров видимого и ближнего ПК - диапазонов, несмотря на то, что в этой области эффективно используются традиционные оптические материалы: стекла, сапфир и т.д. В этой связи, следует отметить, что помимо твердотельных лазеров (λ ~ 1,06 мкм), кис лоро дно-йодного лазера, излучающего на длине волны 1,3 мкм [21], в последнее время активно развиваются лазеры на парах щелочных металлов с диодной накачкой, излучающие в области ~ 0,9 мкм. В работе [408] сообщается о получении выходной

мощности 1 кВт и очевидно, что ведутся активные работы по наращиванию их мощности, так как их КПД намного выше, чем у твердотельных лазеров. В этих лазерах рабочая температура химически агрессивной активной среды ~ 150°C, поэтому с увеличением их выходной мощности, также неизбежно возникает проблема выходного окна, которая может быть решена путём использования алмазных пластин.

Предварительно, перед проведением модельных экспериментов, мы измерили и оценили потери в исследованных пластинах ПА на поглощение и рассеяние на длине волны лазера - 1,07 мкм.

На длине волны 1,07 мкм показатель преломления алмаза - п = 2,391 [409]. Тогда коэффициент отражения г от одной грани - 16,8 %. Коэффициент а, который определяет потери на поглощение и рассеяние, рассчитанный с учётом многократных отражений [299], составил - 1,15 см'¹. Если учесть величину рассеяния - 2,5 % [400], то коэффициент поглощения β составил в нашем случае ~ 0,45 см'¹.

Рисунок 7.6 - Конструкция узла охлаждения алмазной пластины, 1 - корпус, 2 - крышка (материал медь Ml), 3 - штуцер

Рисунок 7.7 - Алмазная пластина в герметичной медной оправе, в сборе

При максимально возможном поглощении ~ 5 % и при мощности излучения 10 кВт в виде тепла в исследуемой пластине ПА может выделяться 125 кал/с, то есть при потоке воды 7,5 литров/минуту разность температур на входе и выходе водоохлаждаемой оправы с облучаемой пластиной ПА должна составить AT ~ l^oC.

Для проведения эксперимента была разработана и изготовлена специальная конструкция узла охлаждения (рисунок 7.6) из бескислородной меди, состоящая из корпуса 1, крышки 2 и штуцера 3. Алмазная пластина в сборе с герметичной медной

оправой показана на рисунке 7.7. Она является одновременно и каркасом конструкции и элементом теплосъема с поверхности алмазной пластины. Для её фиксации и герметизации, обе части стягивались болтами через герметизирующие прокладки. В качестве прокладок в первой серии экспериментов использовался силиконовый герметик, а, в остальных - проволока из индия. Охлаждающая жидкость (вода) подавалась по штуцерам и шлангам, подведенным к корпусу оправы. Конструкция оправы предусматривала также охлаждение проточной водой не только медного корпуса оправы, но и непосредственно периметра самой алмазной пластины. Таким образом, при больших скоростях прокачки воды, обеспечивалась возможность отвода тепла от алмазной пластины со значительной скоростью.

Рисунок 7.8 - Схема охлаждения диска ПА в оправе, выполненной из бескислородной меди марки МОБ. Диск 1 из ПА закреплен в водоохлаждаемой оправе 2. Герметичность обеспечена прокладками из индия 3.

Tj и T₂- температура теплоносителя на входе и выходе оправы

лучший тепловой контакт, а, следовательно, и теплоотвод, и разработали конструкцию оправы, минимизирующую термодеформации пластины ПА.

Помимо окна из ПА в эксперименте исследовалось специально разработанное и изготовленное А.Д. Дроботом и В.В. Морщаковым интерференционное зеркало на алмазной подложке, которое может быть использовано в мощном твердотельном лазере. Коэффициент отражения зеркала на длине волны 1,06 мкм ~ 99,5 %.

Покрытие зеркала состояло из 25 чередующихся слоев двуокиси циркония (ZrO₂) и двуокиси кремния (SiO₂) толщиной λ∕4 (λ = 1,06 мкм). Спектр пропускания алмазной подложки до нанесения покрытия, измеренный на спектрофотометре CARY 500 фирмы VARIAN, показан на рисунке 7.9.

Теоретический расчет 25- слойного покрытия проводился по используемой на предприятии программе. Расчетная зависимость коэффициента отражения такого покрытия от длины волны приведена на рисунке 7.10.

Рисунок 7.9 - Спектр пропускания пластины ПА перед нанесением покрытия

Перед нанесением покрытия подложка проходила специальную химическую очистку по технологии, изложенной в работах [A20, А46, А47]. Предварительно очищенная подложка и свидетель загружались на турель вакуумной установки ВАК 760 фирмы BALZERS с кварцевым контролем толщины наносимых слоев. Камера

откачивалась до вакуума 5?10^⁵ Topp и нагревалась до температуры 200°C в течение 1.5 часов.

Схема эксперимента приведена на рисунке 7.12, а внешний вид экспериментальной установки показан на рисунке 7.13. Лазерное излучение фокусировалось штатным объективом с фокусным расстоянием f=200 мм на пластину из ПА. В первой серии экспериментов излучение фокусировалось в пятно диаметром ~ 0,33 мм. Во второй серии диаметр пятна составлял 0,4 мм. В третьей серии - 4 мм. Диск закрепляли в водоохлаждаемую медную оправу для отвода поглощенного тепла с торцов. Для обеспечения качественного теплосъёма площадь омываемой поверхности составляла 4,325 см².

Ряд экспериментов проводился при диаметре облучаемого пятна 8 мм.

Рисунок 7.10 - Расчетная зависимость коэффициента отражения зеркала от длины

волны

Рисунок 7.11- Спектр пропускания интерференционного алмазного зеркала для диапазона 1,06 мкм

Рисунок 7.12 - Схема проведения эксперимента

Рисунок 7.13 - Внешний вид схемы эксперимента

7.3.1