1.3 Свойства оптических материалов для области спектра 10 мкм. Критерии для выбора оптических материалов мощных лазеров

Для изготовления оптических элементов видимой и ближней ИК - областей используют традиционные оптические материалы - стёкла. Как правило, они (за исключением специально разработанных халькогенидных стёкол) непригодны для использования в дальнем и среднем ИК - диапазонах вследствие поглощения на ионах кислорода.

1) ионные монокристаллы;

2) полупроводниковые монокристаллы;

3) халькогенидные стёкла;

4) оптическая керамика;

5) поликристаллические материалы;

6) нелинейные кристаллы тройных соединений.

Основные критерии для выбора оптических материалов мощных лазерных систем, мы кратко сформулировали следующим образом:

1) устойчивость к воздействию внешней среды и возможность изготовления высокоточных оптических поверхностей (выполнение этого требования возможно, если параметры материала сохраняются после длительного соприкосновения с окружающей средой; а материал обладает высокими значениями твёрдости, предела прочности, предела текучести, модуля Юнга);

2) хорошие теплофизические свойства: высокие значения теплопроводности, теплоёмкости, температуры плавления и низкая величина коэффициента линейного расширения;

3) оптические свойства:

а) максимально низкий коэффициент поглощения в рабочей области спектра;

б) малый показатель преломления;

в) низкие значения фотоупругих констант;

г) прозрачность в видимом свете;

д) в материале должны отсутствовать поглощающие включения и микродефекты размером ≥ 100 А;

4) вышеперечисленные параметры материала в рабочем диапазоне температур, должны, по возможности, слабо зависеть от температуры;

5) технология производства материалов и их оптической обработки должна быть, как можно, более простой и недорогой (при этом необходимо учесть, что изделия могут иметь значительные габариты); желательно также, чтобы она была экологически чистой.

При разработке оптических элементов моноимпульсных лазерных систем выполнение требований и.и. 2, За, 36, Зв и 4 к используемому материалу не обязательно.

Многолетний опыт показывает, что подобрать оптический материал для мощного CO₂- лазера, полностью удовлетворяющий вышеприведённым критериям, практически невозможно. Требования 1-5 весьма разнообразны и жёстки, а свойства известных в настоящее время оптических материалов далеки от идеала. Особенности этих материалов вынуждают искать компромиссные решения, совершенствовать способы выращивания кристаллов и их оптической обработки, осуществлять оптимальный подбор материала в зависимости как от конкретного применения в данном лазерном устройстве, так и от особенностей использования самого лазера. Поэтому требуются достаточно глубокие знания физико-химических свойств необходимых материалов и их реакций на лучевые воздействия в зависимости от конкретных условий эксплуатации. В данном разделе работы систематизируются и анализируются физические свойства материалов, интересных для представляемого ниже исследования, а также рассматриваются перспективы их применения для изготовления прозрачных оптических элементов мощных CO₂- лазеров.

Весьма широко в дальней и средней ПК - областях применяются ионные кристаллы. Для анализа свойств этих кристаллов, их удобно разделить на три основные подгруппы [101, 193, 194]:

1) хрупкие, водорастворимые щёлочно-галоидные монокристаллы со структурой хлористого натрия (NaCl);

2) мягкие, пластичные и гигроскопичные кристаллы со структурой хлористого цезия (CsCl);

3) пластичные, металлоподобные по своим механическим свойствам,

влагостойкие галоиды серебра и таллия.

Из рассматриваемых далее материалов ЩГК обладают наилучшими оптическими свойствами: малым коэффициентом поглощения, низким показателем преломления и высокой прозрачностью в видимой области [30-35]. Эти кристаллы не токсичны. Так как ЩГК являются первыми оптическими материалами, нашедшими применение в ИК - технике, то к настоящему времени создана стабильная промышленная технология выращивания и оптической обработки этих монокристаллов.

К сожалению ЩГК обладают существенными недостатками. Они очень хорошо растворимы в воде. Поэтому, при влажности воздуха в помещении более 35 %, их оптически обработанная поверхность интенсивно адсорбирует атмосферную влагу [30- 35, 110, 193], что вызывает резкое увеличение коэффициента поглощения

приповерхностного слоя и ведёт к снижению порога оптической стойкости изделия. У ЩГК плохие механические свойства. Они хрупки и очень легко раскалываются по плоскостям спайности даже при небольшой нагрузке. ЩГК имеют низкую твёрдость, что существенно затрудняет производство высококачественных оптических поверхностей. При незначительном повышении температуры даже сравнительно небольшая нагрузка приводит к пластической деформации. Тем не менее, они могут применяться даже при 300 - 400 ^o C при контролируемых условиях эксплуатации.

Тем не менее, оптика из ЩГК полируется до высокого класса оптической чистоты по специальной технологии при условии контролируемой влажности. Для предотвращения деградации полированные поверхности материала должны быть защищены от влияния влажности. Воздействие излучения вызывает появление в ЩГК центров окраски. Коэффициент линейного расширения на порядок превышает соответствующее значение у большинства стёкол. Данные недостатки крайне затрудняют создание вакуумноплотных соединений, что необходимо для использования в качестве окон газовых лазеров. ЩГК обладают низкой теплопроводностью и склонны к трещинообразованию даже при небольшом термоударе.

Так как в районе 10 мкм монокристаллы фторидов щелочных металлов имеют заметное поглощение, то для ИК оптики они обычно практически не используются.

В настоящее время монокристаллы хлористого калия являются одним из основных материалов оптики мощных непрерывных и частотно-импульсных лазеров. Коэффициент поглощения KCl может достигать, при соответствующих условиях выращивания, величины (6÷8)? IO'⁵см'¹. Однако, кристаллы, выращиваемые по обычной технологии, разработанной ещё в пятидесятые годы прошлого века, имеют β ≤ IO'³см'¹ [59, 60]. Выяснилось, что вблизи 10 мкм значение коэффициента поглощения щёлочно- галоидных кристаллов определяется концентрацией в них кислородосодержащих примесей (SO₄^^, SO₃^^ NO₂^-, NO₃^, OH^, NH₂^-, HCO₃^-, C₂O₂) [43-45, 87, 89, 195, 196]. Колебания связи O-H вызывают поглощение в области 2÷4 мкм, а колебания связи O-C - в области 9÷10 мкм [43-45]. C появлением так называемой RAP-технологии (Reactive Atmosphere Processing), разработанной в Huges Research Laboratory [43-45], а также в лаборатории физики кристаллов АН Венгрии [197], удалось вырастить кристаллы KCl с коэффициентом поглощения, близким к многофононному пределу. Этот метод основан на очистке расплава исходного сырья от кислородосодержащих примесей с помощью пиролиза CCl₄.

На экспериментальных образцах бромистого калия (KBr), полученных RAP- методом, достигнут самый низкий коэффициент поглощения - 5 ? IO'⁶см'¹[43]. Поэтому, несмотря на заметно худшие физико-химические свойства по сравнению с NaCl и KCl, этот материал считается перспективным для использования в непрерывных лазерах.

Однако технология получения крупногабаритных кристаллов этим методом пока широко не развита. Поэтому монокристаллы KBr, серийно выращиваемые в промышленных условиях, имеющие β ~ 4 ? IO'³cm'¹[30, 59], что выше, чем в хлоридах калия и натрия, и значительно уступающие им по физико-химическим свойствам, в современных лазерных системах не используются.

Разрабатывается технология выращивания монокристаллов твёрдых растворов KCl - KBr. При их исследовании выяснилось, что они имеют сравнительно низкий коэффициент поглощения при удовлетворительных механических свойствах, однако теплопроводность этих образцов оказалась ниже, чем у чистых KCl и KBr [41, 59].

Другие хрупкие ЩГК, прозрачные в области 10 мкм, как правило, гораздо более гигроскопичны и имеют худшие механические свойства [101, 193]. Оптическая стойкость этих кристаллов в импульсном режиме намного ниже, чем NaCl [129-132]. В промышленности они практически не применяются.

Исследованию особенностей взаимодействия импульса излучения CO₂- лазера с щёлочно-галоидными кристаллами посвящена глава 5.

Кристаллы CsI и CsBr (подгруппа пластичных ЩГК) отличаются низкой твёрдостью и высокой гигроскопичностью, весьма пластичны. Их коэффициент поглощения больше, чем у хлорида калия, а теплофизические свойства ещё хуже, чем у ЩГК. Поэтому, хотя они и выпускаются промышленностью для оптики дальнего ИК - диапазона и для изготовления сцинцилляторов частиц высоких энергий, в CO₂- лазерах эти кристаллы практически не используются.

Галоиды серебра также мягки и пластичны, допускают все методы обработки давлением, практически не растворимы в воде [101, 193, 198, АЗ]. В настоящее время их применяют для изготовления световодов, используемых в среднем ИК - диапазоне [198]. Крупным недостатком галоидов серебра является склонность к фотолизу при воздействии излучением видимого и, особенно, ультрафиолетового диапазонов, однако, этот процесс удаётся заметно ослабить путём легирования [193]. Кристаллы хлористого серебра (AgCl), легированные ртутью, значительно более устойчивы к воздействию дневного света без заметного ухудшения оптических свойств в ИК - области. В настоящее время оптоволокна для диапазона 10 мкм изготавливают путём вытягивания из монокристаллов твёрдого раствора AgCl - AgBr (KPC - 13), которые несколько менее склонны к фотолизу, чем чистый AgCl [198].

Галогениды таллия во многом идентичны по своим физико-химическим свойствам галоидам серебра, однако в оптике, несмотря на несколько более высокую растворимость в воде, они применяются гораздо чаще, из-за лучших механических свойств [193, 198] и большей устойчивости к воздействию УФ - излучения.

Промышленность выпускает крупногабаритные монокристаллы твёрдых растворов TlCl - TlBr (обычно называемые - КРС-6) и TlBr - TlI (КРС-5). Эти монокристаллы, благодаря весьма высоким фотоупругим константам, перспективны в акустооптических устройствах, что, однако, является недостатком для применения в лазерных окнах. Тем не менее, многолетняя и кропотливая работа по технологии получения монокристаллов KPC позволила получить кристаллы с очень низким коэффициентом поглощения на длине волны 10,6 мкм - 5 ? IO'⁵см'¹[83]. Этот результат получен благодаря глубокой очистке исходного сырья. Несмотря на низкий порог появления оптических неоднородностей, они иногда используются как в импульсных, так и в непрерывных лазерных системах в тех случаях, когда применение водорастворимой оптики недопустимо. Помимо невысокой оптической стойкости, их применение ограничивается высокой токсичностью, пластичностью, худшими, чем у ЩГК, механическими, теплофизическими и, частично, оптическими свойствами, и как следствие, неудовлетворительным качеством оптической обработки. Однако, после появления промышленного производства CVD ZnSe кристаллы КРС-6 оказались практически вытеснены из ПК - оптики вследствие гораздо худших физико-химических свойств. Тем не менее, монокристаллы КРС-5 по-прежнему применяются для изготовления акустооптических элементов, а также оптики дальнего ПК - диапазона, т.к. в диапазоне 30-50 мкм прозрачны лишь KPC - 5 и йодистый цезий.

Фториды щёлочноземельных металлов широко используются для изготовления оптических элементов среднего ПК - диапазона благодаря весьма удачному сочетанию физико-химических свойств [101 193]. К сожалению, кроме фторидов бария - BaF₂ (β = 0,15÷0,17 см'¹) и стронция - SrF₂ (β = 0,4 см'¹), почти все они непрозрачны на длине волны 10,6 мкм [139, 140, 193]. Однако, благодаря малому показателю преломления фториды часто используют при нанесении интерференционных покрытий [101 193, 199]. Кстати, наиболее интересен в этой связи четырёхфтористый торий (ThF₄). Покрытия из этого материала имеют весьма высокую оптическую стойкость и широко применяются для изготовления оптики CO₂-лазеров [25]. В России на использование соединений

тория в промышленности наложены существенные ограничения, что связано с тем, что этот материал формально числится среди радиоактивных, хотя имеет очень большой период полураспада - l,39xlθ¹⁰лет [200].

Рисунок 1.4 - Спектр пропускания монокристалла BaF₂ [201]

Фторид бария выращивается в вакууме методом Стокбаргера. Это относительно жесткий материал, но при этом имеет высокую чувствительность к тепловым ударам. Фтористый барий не реагирует с атмосферными парами воды при температуре до 5 OO⁰C, обладает хорошими механическими свойствами, неплохо обрабатывается. В сухой среде материал может использоваться вплоть до 800^oC. Монокристаллы BaF₂не токсичны, обладают высокой радиационной стойкостью, имеют малый показатель преломления (п = 1,39).

На рисунке 1.4 приведён спектр пропускания монокристаллической пластины фторида бария толщиной 10 мм. Хорошо видно, что потери на поглощение заметно растут, начиная с λ ~ 9 мкм. На длине волны 9,55 мкм (CO₂- лазеры сравнительно легко, с небольшими потерями, перестраиваются для генерации излучения на этой длине волны, что важно для некоторых применений) поглощение в BaF₂заметно ниже, чем на λ = 10,6 мкм. Поэтому данный материал может быть рекомендован к использованию в CO₂- лазерах, излучающих на λ = 9,55 мкм. Фторид бария иногда применяется для

изготовления оптических элементов (диаметром до ~ 100÷180 мм) моноимпульсных СО2 - лазеров, излучающих на λ = 10,6 мкм в тех случаях, когда его сравнительно высокие потери на поглощение не являются помехой для эксплуатации.

Для решения ряда специфических прикладных задач требуется создание мультиспектральных излучателей, работающих в диапазоне 0,53 - 10,6 мкм. Однако подходящего материала для изготовления прозрачного оптического элемента такого мультиспектрального излучателя, не существует. Один из вариантов решения этой проблемы: несколько сузить этот диапазон, осуществляя генерацию в СО2 - лазере на длине волны 9,55 мкм, и использовать для вывода излучения оптику из фторида бария.

Следующую группу материалов, пригодных для изготовления прозрачной оптики СО2 - лазеров, образуют полупроводниковые кристаллы: алмаз, германий (Ge), арсенид галлия (GaAs) и соединения группы A¹¹B^vι. Для данных материалов характерно практическое отсутствие растворимости в воде, хорошие механические и теплофизические свойства. Однако, оптические свойства у них, как правило, хуже, чем у ЩГК. Полупроводники, вследствие сравнительно небольшой ширины запрещённой зоны, обладают экспоненциальной зависимостью коэффициента поглощения от температуры (уравнение (1.10)). В разделе 2.3 приведены наши экспериментальные результаты исследования зависимости β₁₀₆(T) для монокристаллов германия. Там же более подробно рассмотрены различные факторы, влияющие на поглощение монокристаллического германия в ИК - области. К числу эксплуатационных недостатков многих полупроводников (Ge, GaAs, CdTe) можно отнести отсутствие прозрачности в видимой области.

Монокристаллы кремния (Si), обладающие прекрасными механическими и теплофизическими свойствами, практически не могут быть использованы для изготовления прозрачной оптики СО2 - лазеров, так как в области 10÷ll мкм в них наблюдается весьма заметное решёточное поглощение [101, 193]. Однако они широко используются для изготовления подложек высококачественных интерференционных зеркал с коэффициентом отражения 99,5% и даже более (см. раздел 1.4).

Из всех материалов, практически применяемых для изготовления оптики СО2 - лазеров, монокристаллический германий (Ge) имеет самую высокую твёрдость, что позволяет формировать из него высокоточные оптические детали. Изделия из Ge удобны в эксплуатации. Они не взаимодействуют с атмосферной влагой, не токсичны,

прочны, имеют хорошие теплофизические свойства. Оптические детали из германия хорошо просветляются ОДНОСЛОЙНЫМИ покрытиями ZnS ИЛИ AS2S3 (до 98 %). Из германия изготавливают полупрозрачные зеркала, работающие как без интерференционных покрытий, так и с ними, высокоточные эталоны Фабри-Перо, акустооптические элементы и другие оптические детали [30, 31, 193, 202-223]. Наиболее важная область применения германия - оптика тепловизионных камер диапазона длин волн 8 - 14 мкм, используемых в системах пассивного тепловидения, системах инфракрасного наведения, приборах ночного видения, противопожарных системах [224, 225]. Германий также используется для изготовления МНПВО-элементов для спектроскопии, эффективных светоделителей с пропусканием 50% без необходимости последующего покрытия. Ge также широко используется в качестве подложки для производства светофильтров.

Из-за наличия резкой температурной зависимости коэффициента поглощения применение германия в непрерывных лазерах ограничено. Окна из Ge удовлетворительно работают при плотностях мощности 100÷250 Вт/см², если обеспечивается их эффективное охлаждение [30, 31]. Оптические свойства

монокристаллов германия очень сильно зависят от концентрации свободных носителей и соотношения между концентрациями электронов и дырок [А28]. В настоящее время получены кристаллы с β = 0,015 см'¹, при решёточном поглощении β_pe∏₁⁼0,01 см'¹. Поверхностное поглощение - 2β_llol, = 0,0009 см'¹. Эти значения близки к

технологическому пределу возможностей материала [А28, 79-81]. Исследованию оптических свойств монокристаллов германия и их стойкости к воздействию излучения мощного импульсного CO₂- лазера посвящены разделы 2.3, 2.4 и глава 4.

В арсениде галлия (GaAs), при компенсировании хромом до удельного сопротивления 10⁷÷10⁸Омхсм, удаётся снизить величину коэффициента поглощения до 0,002 см'¹. До температуры 3OO÷4OO^oC это значение растёт довольно медленно. Прекрасные механические и теплофизические свойства, устойчивость к воздействию внешней среды выдвигают GaAs в число наиболее перспективных материалов для изготовления прозрачной оптики непрерывных CO₂- лазеров [30, 31,42, 55, 61, 82, 91, 98-100, 155, 226-228]. Окна из GaAs, если существует охлаждение, не разрушаются при плотности мощности сфокусированного излучения до 40 кВт/см². Применение GaAs ограничивается трудностями обработки токсичных материалов и сложностью

юстировки из-за непрозрачности в видимом диапазоне. Появление на рынке оптических элементов из CVD селенида цинка, технология получения которых достигла промышленного уровня, резко снизила объёмы применения GaAs в лазерной оптике. По соотношению цена - качество селенид цинка превзошёл арсенид галлия, прежде всего, благодаря прозрачности в видимом диапазоне, что резко упрощает процесс юстировки.

Рисунок 1.5 - Спектр пропускания селенида цинка [229]

Рисунок 1.6 - Спектр пропускания полированного окна из CVD ZnSe толщиной 5 мм в диапазоне 400 - 1100 нм [230]

Полупроводниковые соединения группы A¹¹B^viмогут кристаллизоваться как в кубической, так и в гексагональной сингонии [194]. К ним относятся сульфиды, селениды и теллуриды цинка и кадмия. Для этих материалов характерен сравнительно

малый коэффициент поглощения в области 9-11 мкм, который достаточно слабо зависит от температуры, так как у этих материалов ширина запрещённой зоны более 2 -3 эВ. Они обладают неплохими механическими, теплофизическими и климатическими свойствами и весьма перспективны для использования в непрерывных лазерах. Кристаллы кубической сингонии изотропны. Все полупроводниковые соединения этого типа (кроме теллурида кадмия) прозрачны в видимой области спектра, хотя бы частично. К сожалению, существуют значительные проблемы при выращивании кубических монокристаллов этих соединений, даже при диаметре 2÷3 см, вследствие фазового перехода в твёрдой фазе и склонности исходной шихты к диссоциации при повышении температуры.

Самыми перспективными из кристаллов группы A¹¹B^viсчитаются CdTe и ZnSe, коэффициент поглощения которых может при существующей технологии достигать величины 10'⁴÷10^³см'¹[30, 31, 59, 84, 92]. Интересные физические свойства могут оказаться у кристаллов ZnTe, которые пока сравнительно слабо изучены. Исследуются также и кристаллы твёрдых растворов группы A¹¹B^vι, например, селенида-теллурида цинка. Технологические проблемы при выращивании монокристаллов ZnSe были обойдены путём получения поликристаллов селенида цинка оптического качества химическим осаждением из газовой фазы (CVD - метод). Эта технология разработана и успешно внедрена в промышленное производство. На сегодня CVD ZnSe является основным материалом для изготовления элементов прозрачной оптики технологических СО2 - лазеров [21, 30, 59, 232, 233]. На рисунках 1.5 и 1.6 приведены спектры пропускания селенида цинка, причём на рисунке 1.6 детально показаны свойства материала в коротковолновой области спектра, что необходимо для понимания его возможностей при проектировании мультиспектральных излучателей.

В таблице 1.1 приведены свойства CVD ZnSe, производимого в институте химии высокочистых веществ им Г.Г. Девятых [229].

Появилась, также технология газофазного химического осаждения сульфида цинка (ZnS) из паров цинка и сероводорода (CVD) с последующим высокотемпературным газостатическим прессованием. В сущности, получен новый оптический материал, прозрачный в видимой и HK - областях и обладающий хорошими механическими свойствами. К сожалению, по коэффициенту поглощения в интересующем нас диапазоне CVD ZnS (βιo,6 ~ 2.0 ? IO'¹см'¹) значительно уступает

селениду цинка [233-241].

Таблица 1.1 - Свойства CVD селенида цинка [233]

Для применений в авиационных ИК - системах переднего обзора селенид цинка недостаточно хорош вследствие того, что его механические свойства не позволяют выдерживать нагрузки, возникающие при сверхзвуковых скоростях. Созданный для решения этих задач сульфид цинка не устраивает разработчиков из-за сравнительно высокого поглощения. В работе [243] сообщается о создании нового двухслойного композитного оптического материала на основе CVD ZnS - ZnSe («Tuftran»). Основой является слой ZnSe, имеющий хорошие оптические свойства. C внешней стороны находится слой ZnS толщиной 1 мм, уступающий селениду цинка по оптическим

свойствам, но имеющий гораздо лучшие механические свойства. В работе [242] сообщается о создании отечественного аналога этого материала. На рисунке 1.8 приведены их спектры пропускания. К сожалению, в мощных лазерах этот материал вряд ли найдёт применение.

Рисунок 1.7 - Спектр пропускания CVD - сульфида цинка [235]

Рисунок 1.8 - Сравнительные характеристики пропускания «Tuftran» и двухслойного композита ЗАО «ИНКРОМ» (обозначены цветными значками) [242]

В работе [244] сообщается о создании новых перспективных материалов ИК - оптики - твёрдых растворов халькогенидов цинка ZnS_xSe₁._x. Регулируя соотношение

между S и Se в материале, удаётся оптимизировать соотношение между оптическими и механическими свойствами материала.

Для применения в средней и дальней ИК - областях разработана серия бескислородных стёкол, из которых лучшими свойствами в диапазоне 8÷14 мкм обладает Ge₂8Sbι₂Se6o [245, 246]. Эти стёкла почти не взаимодействуют с атмосферной влагой, хорошо обрабатываются, технология их получения позволяет варить крупногабаритные заготовки, но при этом обладают рядом существенных недостатков: токсичны, хрупки, боятся термических ударов, имеют низкие значения теплопроводности и температуры размягчения, непрозрачны в видимом свете, имеют сравнительно высокий коэффициент поглощения. Бескислородные стёкла интересны тем, что, манипулируя составом, можно менять величину показателя преломления в очень широких пределах. Благодаря этому, на основе таких стёкол можно создавать прочные эффективные интерференционные покрытия [245].

Стеклообразный трёхсернистый мышьяк (As₂S₃), несмотря на высокий коэффициент поглощения, рекомендуется в работе [247] для создания прочных интерференционных влагозащитных покрытий на металлических зеркалах. Тонкая плёнка As₂S₃способна длительное время защищать поверхность от воздействия атмосферной влаги и имеет довольно высокую оптическую стойкость.

Известно, что поликристаллические материалы имеют механические свойства значительно лучшие, чем соответствующие монокристаллы, однако, оптические свойства у поликристаллов обычно хуже, чем у монокристаллов из-за рассеяния и поглощения излучения на границах зёрен [232]. В информационных ИК - системах этим явлением обычно можно безболезненно пренебречь, если рабочая длина волны превышает средний размер зерна. В лазерной технике вклад дополнительного поглощения и рассеяния обычно довольно важен, и поэтому предпочтительно использование монокристаллов, но, при превышении некоторого критического размера детали, изготовление оптических элементов из монокристаллов теряет смысл, так как увеличение габаритов монокристалла сопровождается ухудшением его качества при одновременном резком росте удельной стоимости. Среди технологов - ростовиков бытует мнение, что проблемы при выращивании монокристаллов пропорциональны кубу диаметра. Поэтому для изготовления крупногабаритной кристаллооптики применение поликристаллов, несмотря на худшие оптические свойства, зачастую более

оправданно.

Одним из способов ухода от дорогостоящей технологии выращивания монокристаллов является метод получения сравнительно недорогих крупногабаритных заготовок для ИК - техники путём горячего прессования чистых порошкообразных материалов [232, 248]. Изготовленная таким образом оптическая керамика широко используется в ИК - оптике. В СО2 - лазерах, в принципе, могут быть использованы серийно выпускаемые керамические ZnSe и CdTe, известные под названиями иртран-4 (КО-4) и иртран-6 (КО-6), соответственно. По сравнению с монокристаллами этих же материалов, оптическая керамика обладает повышенной механической прочностью, значительно дешевле в изготовлении, однако имеет существенно больший коэффициент поглощения β ~ 0,12÷0,14 см'¹. Поэтому при плотности мощности излучения свыше 100 Вт/см² в непрерывном режиме керамика не может использоваться. Технология горячего прессования порошкообразных оптических материалов начала развиваться в 50-60 г.г. прошлого века. Можно предположить, что с использованием нанотехнологий, это направление в XXI веке будет развиваться ещё более активно, и оптическое качество керамики кардинальным образом улучшится, что позволит её применять и в более мощных лазерах. Кстати, уже создана технология получения лазерной керамики для применения в качестве активных элементов твердотельных лазеров [249]. Эксперименты показали, что активные элементы из лазерной керамики имеют значительные преимущества по сравнению, как с монокристаллическими стержнями, так и со стеклянными. Сообщалось о разработке в США технологии получения оптической керамики на основе твёрдого раствора KCl - KBr диаметром до 1 м для окон мощных CO₂- лазеров. Предполагается, что её коэффициент поглощения может быть на уровне 10 ⁵см'¹[250].

Для лазерной оптики весьма интересен другой способ получения ЩГК оптического качества с поликристаллической структурой - рекристаллизация высокочистых монокристаллов, подвергнутых горячему прессованию [139, 183, 250- 255]. Прочность материала после такой термомеханической обработки возрастает примерно на порядок, но и коэффициент поглощения растёт приблизительно также. Сущность этого эффекта заключается в том, что границы зёрен и некоторые примеси при комнатной температуре препятствуют движению дислокаций, а оптические свойства почти не ухудшаются.

Однако в процессе хранения и эксплуатации, в сущности, происходит длительный отжиг при комнатной температуре. Он вызывает заметное старение материала, заключающееся в росте размеров зёрен в процессе продолжающейся рекристаллизации. Пластическая деформация в поликристаллах происходит за счёт миграции границ зёрен и зернограничного проскальзывания. Движение происходит в направлении свободной поверхности, то есть оптической поверхности, что естественно приводит к ухудшению её формы. Принципиально возможно торможение этого процесса путем легирования специальными примесями [183].

В области 10 мкм прозрачны также некоторые нелинейные кристаллы, например, прустит, ZnGeP₂. Однако применение этих кристаллов ограничивается традиционными областями нелинейной оптики, так как они дороги и обладают высоким поглощением, а технология их получения крайне сложна [256].