ВВЕДЕНИЕ

Лазеры, пятидесятилетие появления которых не так давно отмечалось мировой общественностью, стали настолько актуальны практически во всех областях науки и техники, что уже трудно представить, как можно без них обойтись.

Мощные лазерные системы на CO₂, способные генерировать излучение на нескольких десятках линий в области 9-11 мкм, самой сильной из которых является 10,6 мкм, широко применяются в лазерных технологиях обработки материалов, медицине, для стимулирования химических реакций, разделения изотопов, для оптической накачки лазеров дальнего ИК- и террагерцового диапазонов, и т.д. [1-5]. Так как излучение CO₂, - лазеров находится в окне прозрачности атмосферы 8-14 мкм, то это существенно расширяет возможности их применения, тем более, что в этом диапазоне нет других лазерных источников, сопоставимых с CO₂, - лазерами по мощности и КПД. Эти лазеры могут излучать в непрерывном, импульсном и частотно­импульсном режимах с КПД порядка 10%. Физические процессы при взаимодействии излучения с материалами в этих режимах заметно различаются.

Одним из ключевых узлов лазера, определяющим его рабочие характеристики, является оптический резонатор. В газовых лазерах резонатор обычно состоит из двух или более зеркал, одно из которых является выходным, и прозрачного окна разделяющего активную среду и атмосферу. Зачастую выходной элемент может совмещать функции окна и полупрозрачного зеркала. Недостаточно высокая лучевая (оптическая) стойкость материалов силовой оптики заметно ограничивает технические характеристики CO₂- лазеров. Так, предельно достижимая интенсивность излучения реальной лазерной системы в настоящее время определяется, как правило, оптической стойкостью зеркал резонатора, в том числе, выходного элемента.

Оптические приборы диапазона 8÷14 мкм развиты заметно слабее, чем приборы видимого диапазона, что, не в последнюю очередь, вызвано дефицитом сравнительно недорогих, но высококачественных оптических материалов. В этой области прозрачны лишь некоторые, в основном, кристаллические материалы. Для изготовления отражающих зеркал, в обиходе называемых «глухими», обычно используют ряд высокотеплопроводных металлов, прежде всего медь и её сплавы. Во многом, это вызвано тем, что многослойные интерференционные покрытия для области 10 мкм, как правило, заметно уступают по оптической и климатической стойкости металлическим зеркалам. Поэтому очень часто выходные параметры CO₂- лазеров ограничиваются свойствами применяемых в них ИК- материалов.

Развитие CO₂- лазеров, тепловизионных и ряда других оптических приборов диапазона 8÷14 мкм стимулировало углублённое исследование уже известных оптических материалов для этой области и поиски новых. Также активно развиваются технологии оптической обработки этих материалов и нанесения на них интерференционных покрытий.

Проблема обострилась ещё и тем, что, благодаря значительным достижениям в областях физики и техники газового разряда, а также создания мощных источников питания, появились технологии эффективной накачки больших (десятки сантиметров) разрядных промежутков. Соответственно, для обеспечения работы таких лазеров потребовалась высококачественная широкоапертурная метало- и кристаллооптика. К моменту постановки данной работы полномасштабное создание такой оптики только разворачивалось.

Целью диссертационной работы являлосьустановление физических закономерностей, определяющих реальную оптическую стойкость материалов, используемых для изготовления силовой оптики, к воздействию излучения мощного импульсного CO₂- лазера, в условиях, максимально приближённых к реальным условиям эксплуатации.

Для достижения этой цели были поставлены следующие основные задачи:

- исследование оптических свойств материалов, применяемых в CO₂- лазерах;

- исследование реальной оптической стойкости основных монокристаллов, прозрачных в районе 10 мкм;

- исследование поведения медных зеркал при воздействии мощного лазерного импульса в лабораторных экспериментах и в условиях длительной эксплуатации в резонаторе мощного лазера;

- анализ физических явлений и закономерностей, приводящих к выходу из строя реальных оптических элементов,

- физическое обоснование путей улучшения качества материалов и их оптической обработки, а также реставрации оптических элементов;

- определение границ применимости в силовой оптике и электронике нового уникального конструкционного материала - поликристаллического алмаза;

- апробация полученных результатов в реальных условиях функционирования мощных лазерных систем.

Научная новизна

К началу работы в литературе практически отсутствовали систематизированные данные о многочисленных причинах выхода из строя металло- и кристаллооптики мощных крупноапертурных импульсных CO₂- лазеров, эксплуатационных возможностях оптических элементов, а также о способах реставрации повреждённых деталей. Отсутствовали данные о некоторых оптических свойствах исследуемых материалов. Не существовало взаимосвязи между оптической стойкостью материала и его фундаментальными свойствами.

В результате проведенных исследований:

- получено прямое экспериментальное доказательство взаимосвязи оптической стойкости с фундаментальными свойствами материала, такими как ширина запрещённой зоны и энергия кристаллической решётки.

- установлены особенности прохождения импульсов мощных широких пучков HK- излучения через оптические монокристаллы и их отражения от металлических зеркал и прозрачных материалов;

- определено влияние плазмы низкопорогового оптического пробоя воздуха на процесс деградации лазерных зеркал и окон при импульсном воздействии излучения;

- выявлено влияние дефектов кристаллической структуры на оптическую стойкость материала;

- установлена причина возникновения и структура повреждений в этих материалах, их влияние на последующую работоспособность оптического элемента.

Теоретическая и практическая значимость

На основе разработанной методики исследования оптических характеристик сверхтонких (~ 100 мкм) образцов показано, что не только в монокристаллах LiF и CaF₂, но и в поликристаллах MgF₂ (KO-I) экспериментально измеренное значение коэффициента поглощения β(v) в диапазоне 8-12 мкм подчиняется теоретической зависимости - правилу Урбаха.

Определены уровни предельно допустимых лучевых нагрузок на прозрачные оптические элементы мощных широкоапертурных импульсных CO₂- лазеров.

Разработаны, изготовлены и испытаны выходные окна и зеркала мощных широкоапертурных импульсных CO₂- лазеров из монокристаллического германия диаметром до 420 мм.

На основе исследования особенностей их повреждения излучением выявлены дефекты оптической обработки зеркал, что позволило увеличить их долговечность после внесения корректив в процесс полировки. Предложена и запатентована технология химико-механической полировки германиевой оптики с улучшенными оптическими характеристиками.

Анализ механизмов повреждений оптических элементов из германия позволил обосновать и практически реализовать реставрацию оптической поверхности путем переполировки изделий.

На основе исследования процесса порообразования в ЩГК в результате воздействия лазерного излучения предложен метод частичной реставрации повреждённых оптических элементов из ЩГК.

Высокая стойкость водоохлаждаемых алмазных окон и зеркал к воздействию непрерывным излучением волоконного иттербиевого лазера при мультимегаваттной плотности мощности позволяет рекомендовать материал для использования в элементной базе нового поколения изделий силовой оптики и электроники.

Предложена конструкция водоохлаждаемого алмазного лазерного окна с монокристаллической центральной зоной и поликристаллической периферийной

частью, что позволяет снизить потери на поглощение и увеличить оптическую стойкость.

Оптимизируя параметры зеркал резонатора, удалось значительно улучшить параметры выходного излучения импульсного электроразрядного CO₂- лазера.

Объекты исследований.

Большинство прозрачных в области 10 мкм монокристаллов, причём, как кристаллы, производимые промышленностью серийно, так и уникальные, специально выращенные монокристаллы, в том числе бездислокационные, а также изотопически чистые монокристаллы германия.

Резонаторные зеркала из меди и германия, проработавшие многие годы в реальных условиях эксплуатации мощного CO₂- лазера при различной лучевой нагрузке, в том числе и близкой к предельной.

Образцы из поликристаллических алмазов, полученных методом химического осаждения из газовой фазы, полученные в СВЧ-плазмохимическом реакторе ARDIS-100.

Методы исследований.

Отличием применённых в работе методов исследования оптической стойкости материалов является использование длиннофокусных линз и сравнительно широких пятен облучения, порядка 1 см². Это дало возможность, с одной стороны, путём масштабирования получать результаты, позволяющие использовать их практикующими создателями мощных лазерных систем, а, с другой стороны, проводить исследование последствий воздействия современными приборами, применяемыми в физике твердого тела, с использованием статистических методов обработки результатов. Такой подход позволил выявлять влияние дефектов структуры материала и оптической обработки на исследуемые явления. Оптические свойства исследовавшихся в работе образцов, в том числе и сверхтонких, контролировались с помощью ИК - спектрометрии. Применялись методы оптической микроскопии, электронной микроскопии и рентгеноспектральные методы, а также метод оптической профилометрии.

Воздействие лазерного излучения на исследуемые материалы производилось: - импульсным электроразрядным CO₂- лазером с выходной энергией до 70 Дж [6];

- четырёхсекционным импульсным электроразрядным CO₂- лазером с выходной энергией до - 820 Дж [AlO];

- 10-киловаттным непрерывным волоконным иттербиевым лазером JIC - 10 (ИРЭ - ПОЛЮС).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Анализ воздействия мощных CO₂-лазеров на оптические элементы, на основе рассмотрения механизмов:

- разрушения прозрачных оптических элементов импульсных СО₂-лазеров, излучающих в режиме свободной генерации, которое вызывается плазмой низкопорогового оптического пробоя воздуха, возникающего вблизи поверхности детали. Воздействие плазмы инициирует хрупкую и пластическую деформацию ионных кристаллов, и приводит к возникновению в них радиационных дефектов;

- воздействия лазерного импульса на щёлочно-галоидные кристаллы (ЩГК), приводящего к возникновению объёмных полостей вследствие оптического пробоя поглощающих микронеоднородностей, являющихся сложными примесными центрами возникшими при коагуляции анионных примесей. Размеры пор в ЩГК определяются энергией кристаллической решётки;

- экспоненциальной зависимости нелинейных потерь излучения от ширины запрещённой зоны материала, при прохождении излучения с плотностью мощности IO⁷÷4х IO⁸Вт/см² через прозрачные материалы, обусловленной поглощением излучения на генерируемых «горячих» неравновесных носителях заряда;

- аномального массопереноса в образцах сплава медь - хром в направлении перпендикулярном лазерному лучу. Эффект имеет место не только под зоной облучения, но и вне неё;

- лазерно-химической очистки металлических поверхностей;

- взаимодействия лазерного импульса с оксидированным дюралюминием;

- оптического пробоя в кристаллическом германии. Данный механизм имеет место только в приповерхностном слое материала, что предохраняет объем кристалла от разрушающего воздействия.

2. Применение в силовой оптике кристаллического германия ограничено величиной коэффициента поглощения, который определяется фононным поглощением (~ 0,02 см'¹) в области 2,5 - 11 мкм и зависит концентрации свободных носителей. Зависимость

коэффициента поглощения β от длины волны подчиняется экспериментально полученному выражению β ~ λ^1,2и экспоненциально зависит от температуры.

3. В монокристаллах LiF, CaF₂и в поликристаллах MgF₂ (KO-I) экспериментально измеренное значение коэффициента поглощения β(v) в диапазоне 8 - 12 мкм подчиняется теоретической зависимости - правилу Урбаха.

4. Зависимость снижения частоты максимума полосы решёточного поглощения в германии с ростом массового числа изотопов германия. Сдвиг максимумов фононных полос поглощения от изотопа с массовым числом 74 к изотопу 70 соответствует 25 см'¹ для первого пика (максимум для природного германия на частоте 841 см'¹), и в пределах 20 см'¹ для второго и третьего пиков (максимумы для природного германия на частотах 749 и 645 см'¹).

5. Использование в лазерной оптике поликристаллических и монокристаллических алмазов имеет преимущество благодаря стойкости водоохлаждаемых алмазных окон и зеркал к воздействию непрерывным излучением (λ = 1,07 мкм) мегаваттной плотности мощности, обусловленной высокой прозрачностью и высокой теплопроводности алмаза. Разработанная конструкция водоохлаждаемого алмазного лазерного окна с монокристаллической центральной частью и поликристаллической периферийной частью позволит снизить потери на поглощение и увеличить оптическую стойкость.

Связь работы с научными программами, планами, темами.

Работа выполнялась по программам НИОКР, проводимых НПО «Астрофизика» по техническим заданиям Министерства обороны СССР (1972 - 1991 г.г.); в рамках НИР «Разработка технологии получения силовой оптики из поликристаллического алмаза для мощных лазеров», шифр «Алмаз-Л», выполненной ФГУП «НПО «Астрофизика» по договору с Минпромторгом РФ (итоговый отчёт per. № 122/1 - 104 от 27.05.2010 г.).

В работе использованы материалы, полученные при выполнении проектной части государственного задания по научной работе (проект № 4.1325.2014/К; проект № 11.1937.2014/К), в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» (Соглашение 14.577.21.0004 (RFMEFI57714X0004).

Степень достоверности полученных результатови выдвигаемых на защиту научных положений определяется тем, что все экспериментальные данные получены с

использованием современных методов физики. Данные, полученные в работе, вполне согласуются с экспериментальными результатами других авторов. Научные положения и выводы работы не противоречат основным положениям физики конденсированного состояния и лазерной техники.

Личный вкладсоискателя в диссертационную работу заключается в определении цели и постановке задачи, выборе способов решения и методов исследования, проведении методических и физико-технологических разработок, постановке и проведении экспериментов, а также обработке, анализе и интерпретации полученных результатов, написании научных статей и докладов. Автором внесен определяющий вклад в разработку физических основ описываемых процессов.

Апробация работы.Основные результаты работы докладывались и обсуждались на всесоюзных, российских и международных конференциях, совещаниях и семинарах: I Bcec. школе-конф. «Применение лазеров в машиностроении и других областях техники и физические вопросы разработки газовых лазеров» (Москва, 1974 г.);. VII Bcec. сов. по получению профилированных кристаллов способом Степанова и их применению в народном хозяйстве (Ленинград, 1976 r.); IV Bcec. сов. по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1978 r.); VIII Bcec. сов. по получению профилированных кристаллов способом Степанова и их применению в народном хозяйстве (Ленинград, 1979 r.); V Bcec. сов. по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1981 r.); X Сибирском сов. по спектроскопии: «Инверсная заселённость и генерация на переходах в атомах и молекулах» (Томск, 1981 r.); IX Сов. по получению профилированных кристаллов и изделий способом Степанова и их применению в народном хозяйстве, (Ленинград, 1982 r.); VI Bcec. конф, по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Вильнюс, 1984 r.); VI Bcec. конф. «Оптика лазеров», (Ленинград, 1990 r.); VII Межд форуме «Высокие технологии XXI века» (Москва, 2006 r.); III Межд. конф, по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», (Москва, 2006 г.); Конф. V Межд. Форума «Лазерные и оптические системы и технологии», (Москва, 2009 r.); XIV Нац. конф, по росту кристаллов, IV Межд. конф. «Кристаллофизика XXI века», поев, памяти М.П. Шаскольской, (Москва, 2010 r.); XVII Bcepoc. конф. «Оптика и спектроскопия конденсированных сред», Краснодар, 2011 r.; II Моск, чтениях по проблемам прочности материалов, (Москва, Черноголовка, 2011 г.);

XVIII Bcepoc. конф. «Оптика и спектроскопия конденсированных сред», Краснодар, 2012 r.; VII Межд. конф. ФППК-2012 «Фазовые превращения и прочность кристаллов», (Москва, Черноголовка, 2012 г.); Научно-практ. конф. «Современные тенденции и принципы построения авиационных оптико-электронных систем», (Екатеринбург, 2012 r.); XII межд. науч, конф.-шк. «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение», (Саранск, 2013 r.); IX Межд. форуме "Оптические системы и технологии"(OPTICS-EXPO 2013, Москва); XIX Bcepoc. конф. «Оптика и спектроскопия конденсированных сред», (Краснодар, 2013 г.)); Межд. симп. «Физика кристаллов 2013», (Москва, 2013 r.); VII отраслевой научно-техн, конф. «Проблемы создания лазерных систем», (Россия, Владимирская область, г. Радужный, 2013); XX Bcepoc. Конф. «Оптика и спектроскопия конденсированных сред», Краснодар, 2014 r.; XI Межд. конф. «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов». (Курск, 2014 r.); VIII Межд. конф. ФППК-2014 «Фазовые превращения и прочность кристаллов», (Черноголовка, 2014 r.); VI Межд. Конгрессе «Цветные металлы и минералы». (Красноярск: 2014 r.); V Межд. конф. ФизтехБио 29-30 апреля 2015 r.; VI Межд. конф. «Кристаллофизика и деформационное поведение перспективных материалов, посвящённой 90 - летию со дня рождения проф. Ю.А. Скакова, (Москва, 2015 r.); XXI Bcepoc. конф. «Оптика и спектроскопия конденсированных сред», Краснодар, 2015 г.; XIV научно-техн, семинаре «Актуальные вопросы создания оружия направленной энергии и исследования стойкости ракетно-космической техники к воздействию его поражающих факторов» (Военная академия PBCH им. Петра Великого, М. о., г. Балашиха, 2015).

Публикации.Материал диссертации изложен в 51 публикации, включая 2 монографии (в соавторстве), из них в журналах из списка ВАК - 22, а также в 1 авторском свидетельстве СССР, 3 патентах РФ и 3 заявках на патент РФ.

Структура и объем диссертации.Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, приложения, списка сокращений и обозначений, а также списка литературы. В конце каждой главы приводятся выводы. Работа содержит 142 рисунка и 24 таблицы. Список литературы включает 422 наименования. Общий объём диссертации составляет 351 страница.