15. Материалы для изготовления оптических элементов проходного типа.

Материалы для элементов отражательной оптики.

1.Выбор материала конкретного типа лазера определяется в первую

очередь пропускание излучения нужной длины волны.

2.Мощность, необходимая для проведения тех. процесса (показатель

поглощения - min).

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ.

- высокая оптическая прочность (поры разрушаются);

- высокая механическая прочность;

- хорошая оптическая однородность;

- высокая термостойкость в рабочем диапазоне температур;

- высокая теплопроводность;

- малое значение температуропроводности;

- получение заготовок большего диаметра;

- химическая стойкость;

- min токсичность;

- невысокая стоимость материала и сырья;

- удобство монтажа и юстировки;

Материалы удовлетворяющие требования не созданы.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ ОПТИКИ.

Общие требования.

- max коэффициент отражения на рабочей длине волны;

- возможность высокой точности изготовления отражающей поверхности

- стабильность формы и качества отражающей поверхности в течение;

длительного времени эксплуатации.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ.

В соответствии с этим материалы должны иметь:

- высокую теплопроводность;

- малый температурный коэффициент линейного расширения;

- min плотность;

- высокий предел упругости;

- max жесткость;

- min коэффициент поглощения на рабочей длине волны;

- высокую лучистую прочность;

- возможность обработки отражающей поверхности с высокой точностью воспроизводства;

- возможность использования охлаждения;

Лучше всего удовлетворяют требованиям и критериям: медь, меднохромистая бронза, молибден, вольфрам.

Материалы для изготовления элементов оптического тракта.

Элементами проходной оптики ТЛ являются выходные плоские окна и линзы, служащие для пропускания, транспортирования и формирования выходных пучков лучей и их фокусировки на обрабатываемый объект.

Выбор материалов для элементов проходной оптики конкретного типа лазера определяется, в первую очередь, пропусканием излучения той длинны волны, на которой лазер работает.

Газовые лазеры.

Мощность (энергия) излучения, необходимая для выполнения таких технологических операций, как сварка, сверление, разметка, термообработка и др., достигнута в основном на СО₂ - лазерах, работающих на длине волны 10.6 мкм. Поэтому оптические элементы проходной оптики должны иметь минимальный показатель поглощения в области  l = 10...11 мкм.

Гамма материалов, прозрачных в этой области, весьма широкая. Однако эту гамму существенно сужают дополнительные требования, характерные именно для лазерных систем. К дополнительным требованиям относятся:

• высокая оптическая прочность, позволяющая достичь требуемых значений поверхностного и объемного порога разрушения и ресурса работы;

• высокая механическая твердость, обеспечивающая возможность и технологичность высококачественного полирования рабочих поверхностей;

• хорошая оптическая однородность, стабильная во времени и в процессе эксплуатации;

• высокая термостойкость в рабочем диапазоне температур;

• высокая теплопроводность, обеспечивающая рассеяние поглощенной материалом энергии излучения;

• малое значение температуропроводности, определяющей скорость установления теплового равновесия и расстояние, на которое тепловая волна проникает в глубь материала;

• возможность получения заготовок достаточно больших размеров;

• высокая химическая стойкость;

• отсутствие токсичности материала, сырья для его изготовления и продуктов его обработки;

• невысокая стоимость материала и сырья для его изготовления и продуктов его изготовления;

• удобства монтажа и юстировки системы оптических элементов;

Материалы, полностью удовлетворяющие всем перечисленным требованиям, в настоящее время еще не созданы.

Однако целый ряд материалов, прозрачных в ИК-области спектра, этим требованиям частично удовлетворяет. К ним относятся:

 тугоплавкие монокристаллы Si, Ge, Al₂0₃;

• полупроводниковые соединения ZnSe, CdTe, GaAs;

• монокристаллические растворы на основе солей таллия, известные

под шифрами КРС-5 и КРС-6;

• оптическая керамика типа КОЗ (на основе CaF₂), (на основе ZnSe) и

КО6 (на основе CdTe)

 щелочно-галоидные кристаллы КCl, NaCl, CaF₂, LiF, BaF_2. 

Так как каждый из этих материалов не полностью отвечает поставленным требованиям (так, например, КРС-5 и КРС-6 имеют малую термостойкость и весьма токсичны; Ge, GaAs, CdTe непрозрачны для видимого света, что затрудняет сборку и юстировку; KCl, NaCl, LiF гигроскопичны; ZnSe, BaF₂ и CdTe имеют высокую стоимость), то эффективность применения того или иного кристалла определяется отдельно для каждого конкретного случая. Показатели преломления для некоторых материалов приведены в таблице 2.3

Твердотельные лазеры и сравнение с газовыми.

Для транспортировки излучения твердотельного лазера используют обычно два вида оптических трактов: оптический тракт на основе зеркально-линзовых оптических элементов и световодных моно- и поливолокон с использованием фокусирующих элементов.

Стандартный оптический тракт лазерной установки состоит из элементов, транспортирующих излучение к месту обработки (зеркала, световоды), и формирующих (фокусирующих) элементов (линзы, зеркала, фоконы и др.). Сравним материалы для изготовления элементов оптического тракта, отвечающих за транспортировку излучения.

Для технологических газовых лазеров используют металлические или полупроводниковые зеркала, охлаждаемые водой. На них, как правило, нанесено защитно-просветляющее покрытие. Материалами для подложки зеркал в основном служат медь марки М00б, М0б, M1б с содержанием меди свыше 99.95 %, бронза марки БрХ08, иногда молибден и вольфрам. На поверхность зеркала наносится отражающее золотое, серебряное или защитное покрытие. На этом исчерпывается перечень материалов для изготовления оптики, транспортирующей излучение газовых лазеров. Для транспортировки излучения твердотельных лазеров используют, в основном, зеркальные системы. Стандартное зеркало для твердотельного лазера состоит из подложки и отражающего покрытия. В качестве подложки используют чаще всего кварцевое стекло, т.к. оно имеет высокую прочность и лучевую стойкость. Отражающее покрытие на такое зеркало наносится в виде тонких интерференционных пленок с числом покрытий от 3 до 5-ти. Используя специальные покрытия, можно на зеркалах выполнить системы датчиков для контроля мощности и размеров луча. Благодаря отлаженной технологии напыления тонких пленок стоимость одного зеркала незначительна и в 4-5 раз ниже стоимости зеркала для газового лазера.

Для фокусировки излучения твердотельных лазеров обычно используют проходную оптику. Анализ информации, приводимой в отечественной и зарубежной литературе, показывает, что существуют различные методики выбора материала для оптической системы твердотельного или газового лазера.

Из формулы (___) следующего раздела видно, что величина диаметра пятна в фокальной плоскости прямопропорциональна аберрационному параметру линзы (оптической системы). Аберрационный параметр оптического элемента зависит не только от соотношения радиусов кривизны оптических поверхностей, но и от показателя преломления материала, причем с ростом показателя преломления материала линзы аберрационный параметр уменьшается. Исходя из сказанного, можно утверждать, что показатель преломления материала линзы оказывает существенное влияние на аберрации оптической системы для случая использования однолинзовой фокусирующей системы.

Следует отметить, что чаще всего в лазерных технологических комплексах используют однолинзовые оптические системы. Сравним материалы для изготовления оптических элементов проходного типа, применяемые в газовых и твердотельных лазерах.

В настоящее время изготовители оптики для ближней ИК области располагают достаточно большим количеством оптических материалов, различающихся по своим свойствам. В отличие от материалов для изготовления оптики лазеров, работающих на длине волны 10.6 мкм, для твёрдотельных лазеров с длинной волны 1.06 мкм подходит почти весь спектр материалов, используемых для видимой области спектра. Основными среди них являются кварц и стекло. Абсолютное количество материалов, используемых для лазеров с длиной волны 1.06 мкм, в несколько раз превышает количество материалов для длины волны 10.6 мкм. Для использования в лазерных системах и технологических комплексах на базе газовых лазеров в основном используют полупроводники и галогениды металлов.

Кристаллические галогениды NaCL и KCL в высшей степени прозрачны на 10,6 мкм, но гигроскопичны и мягки. (В настоящее время КCl продолжает оставаться наиболее распространенным материалом для изготовления проходной оптики газовых лазеров средней мощности).

Полупроводники типа Ge, GaAs, ZnSe, CdTe химически более стойки и на них легче нанести покрытие, но они слишком дороги. Показатели преломления этих материалов имеют значения от 1.22 до 4.2 (см. таблицу 2.3). Часть перечисленных материалов прозрачны и на длине волны 1.06 мкм, однако, они практически не используются в качестве оптических элементов для твёрдотельных лазеров из-за дороговизны и недолговечности, за исключением особых случаев. На этом исчерпывается перечень материалов для изготовления фокусирующей оптики газовых лазеров.

Зеркальные системы, применяемые для фокусировки излучения большой мощности, в данном разделе не рассматриваются и не сравниваются, т.к. на данном этапе развития и в ближайшем будущем не ожидается выпуска промышленных лазеров на мощность более 2 кВт.

В отличие от проходной оптики для промышленных газовых лазеров с длинной волны 10.6 мим, материалы для изготовления линз, зеркал, призм на длину волны 1.06 мкм обладают рядом положительных свойств: они дешевы, просты в обработке, обладают высокой лучевой стойкостью и механической прочностью. На эти материалы легко наносятся разные виды покрытий (защитные, просвечивающие, отражающие). Показатель преломления материалов, используемых для длины волны 1,06 мкм, изменяется от 1,4 до 2,1 (см. таблицу 2.3). При этом имеется рекомендация о нежелательности использования материалов с показателем преломления большим 1.8 [ 92 ].

Наличие большого количества различных оптических материалов позволяет при расчете оптических систем варьировать показатель преломления в значительных пределах, что дает определенную выгоду при подборе параметров оптического элемента особенно при расчете многолинзовых оптических систем и наиболее точном приближении реальных параметров оптической системы к расчетным.

Точность подбора показателя преломления составляет 0.01 %. Необходимо отметить, что при наличии богатого выбора материалов для оптических элементов имеется возможность проводить подбор необ-ходимого материала по лучевой стойкости для каждого конкретного случая [96]. При выборе материалов для изготовления элементов внешней оптики твердотельного лазера можно руководствоваться следующими правилами:

1. Если оптическая система состоит из одного элемента, то выбор необходимо делать основываясь на результате оптического расчета, лучевой и механической прочности материала линзы. При необходимости изменения показателя преломления материала, его следует изменять, при прочих равных условиях, в большую сторону.

2. Для случая сложной оптической системы показатель преломления не является решающим фактором и может изменяться в достаточно широких пределах. Применение многолинзовых систем практически не приводит к потерям излучения за счет просветляющих покрытий, технология нанесения которых для длинны волны 1.06 мкм хорошо отработана.

Срок службы оптических элементов для твёрдотельных технологических лазеров значительно превышает срок службы оптики, применяемой для фокусировки газовых лазеров. Стоимостные характеристики простых оптических элементов для излучения с длиной волны 1,06 мкм приблизительно в 10 раз дешевле аналогичных материалов для длины волны 10,6 мкм. Характеристики материалов обычно приводят в справочниках (например см.лит.[92,93,94,95]).

Из вышеизложенного следует, что материалы , применяемые для изготовления оптических элементов твердотельных лазеров с длиной волны 1.06 мкм имеют некоторые преимущества по сравнению с материалами , используемыми для изготовления оптики газовых лазеров с длиной волны излучения 10,6 мкм, что позволяет сделать вывод о предпочтительности использования излучения твердотельных лазеров.