Материалы для проходных оптических элементов СО2-лазеров (96

УДК 621.375.826(075.8) ББК 32.86-5 Г621

Рецензенты: Ю.В. Богачев, В.И. Дюжиков

Голубенко Ю.В., Богданов А.В., Иванов Ю.В.

Г621 Материалы для проходных оптических элементов СО2- лазеров: Учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Бау-

мана, 2007. – 20 с.

Описаны основные кристаллические материалы, имеющие прозрачность в ИК-области, оценена их лучевая прочность, пороги разрушения и лучевая стойкость. Рассмотрены методы их определения. Даны рекомендации по применению материалов для проходной оптики в зависимости от мощности излучения СО2-лазеров.

Для студентов, изучающих лазерную технику.

УДК 621.375.826(075.8) ББК 32.86-5

Учебное издание

Юрий Владимирович Голубенко Александр Владимирович Богданов Юрий Владимирович Иванов

Материалы для проходных оптических элементов СО2-лазеров

Редактор А.В. Сахарова Корректор О.В. Калашникова

Компьютерная верстка И.А. Марковой

Подписано в печать 30.08.07. Формат 60×84/16. Бумага офсетная.

Печ. л. 1,25. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,05. Тираж 100 экз.

Изд. № 3. Заказ №

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская, 5

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007

2

Возможности широкого применения СО2-лазеров в промышленности и повышения их выходных параметров ограничены в настоящее время, в частности, низкими надежностью и ресурсом оптических элементов (ОЭ), используемых в качестве выходных окон, полупрозрачных зеркал и линз. Несмотря на интенсивно проводимые работы по повышению ресурса ОЭ лазеров, этот эксплуатационный параметр все еще не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к промышленному технологическому оборудованию.

1. МАТЕРИАЛЫ, ПРОЗРАЧНЫЕ В ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ

Для изготовления ОЭ технологических СО2-лазеров в настоящее время применяют два основных класса материалов, прозрачных для электромагнитного излучения длиной волны 10,6 мкм: полупроводники и ионные кристаллы.

Выбор материала для пропускания лазерного излучения прежде всего сводится к поиску материала с низким поглощением. Сравнивая характеристики полупроводниковых и ионных кристаллов, отметим, что первые обладают хорошими теплофизическими и механическими свойствами. Однако в этих кристаллах при тепловом воздействии излучения происходит нелинейный рост коэффициента поглощения β материала, приводящий к взрывообразному развитию тепловой неустойчивости. Возрастание коэффициента β с ростом температуры полупроводника начинается для германия Ge с 50 °С; для соединений

CdTe, GaAs, ZnSe – с 200…300 °С. Для полупроводников коэф-

фициент искажений волнового фронта излучений χ в основном определяется величиной dn/dT (изменением коэффициента преломления в зависимости от температуры). Малое изменение коэффициента преломления при колебаниях температуры харак-

3

терно для селенида цинка ZnSe. Мощность непрерывного лазерного излучения, проходящего через ОЭ с сохранением дифракционной расходимости, для полупроводников с коэффициентом β 10–2…10–3 см–1 составляет 0,1…3 кВт. В то же время мощность излучения, пропускаемого ОЭ без термического разрушения, для ZnSe составляет 5,4 кВт, для GaAs – 2,3 кВт. Недопустимые искажения волнового фронта излучения ограничивают применение полупроводниковых кристаллов для пропускания излучения мощных СО2-лазеров. Полупроводники технологичны в оптической обработке; по своим механическим свойствам – разрушающему напряжению σс, твердости материала по отношению к твердости хлористого натрия Н – они близки к стеклам, что позволяет получать ОЭ высокого качества. Однако с большим значением показателя преломления этих материалов связаны значительные потери энергии излучения на отражение, поэтому в зависимости от назначения ОЭ на него необходимо наносить либо просветляющие, либо светоделительные покрытия. Стоимость полупроводников на порядок и более выше, чем ионных кристаллов. Применение полупроводников для изготовления крупногабаритных ОЭ также сильно ограничивает технологические возможности получения высококачественных кристаллов соответствующего размера.

Ионные кристаллы, в частности щелочно-галоидные (ЩГК), обладают более низким коэффициентом поглощения, чем полупроводники. Низкие потери на отражение позволяют применять ЩГК для изготовления выходных окон без просветляющих покрытий. Решена и проблема получения кристаллов больших размеров. Известными недостатками ЩГК являются: низкая механическая прочность, склонность к хрупкому разрушению по плоскостям спайкости, гигроскопичность. У ионных кристаллов величина dn/dT отрицательна, а остальные члены в выражении для коэффициента χ положительны, коэффициент искажений волнового фронта излучения у этих материалов в 10–100 раз меньше, чем у полупроводников. Применение ЩГК позволяет значительно расширить диапазон мощностей лазерного излучения с точки зрения сохранения его расходимости. ЩГК с коэффициентом β ≤ 5 10–4 см–1 пропускают с сохранением дифракционной расходимости непрерывное излучение мощностью 50…60 кВт. Применение ЩГК ограничивает низкая механическая прочность: возможно термическое разрушение

4

при лазерном воздействии; критическая мощность излучения для них составляет 5,9 кВт.

В настоящее время существуют широкие возможности совершенствования технологий получения некоторых ИК-ма- териалов со значениями коэффициентов поглощения, близкими к предсказываемым теорией. Модель идеального материала, поведение которого при тепловом воздействии лазерного излучения рассматривается в рамках теории термоупругости, целесообразно использовать при выборе оптимального с точки зрения термического разрушения и искажений волнового фронта излучения теплового режима работы ОЭ.

Реальные оптические материалы обладают значительным количеством структурных дефектов: включениями инородной фазы, неоднородностями состава и пр. Существенно изменяют характеристики материала оптическая обработка, воздействия лазерного излучения и окружающей среды. Это обусловило необходимость экспериментально исследовать стойкость реальных материалов при лазерном воздействии.

2. ЛУЧЕВАЯ ПРОЧНОСТЬ РЕАЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Общепринятой характеристикой стойкости реального оптического материала к воздействию мощного лазерного излучения является порог разрушения – порог лучевой прочности (ЛП). Порог ЛП определен как плотность энергии, Дж/см2, или мощности, Вт/см2, лазерного излучения, при которых происходят необратимые изменения характеристик материала за определенное время воздействия. Реально сложилось так, что в качестве порога ЛП обычно принимают ту лучевую нагрузку, при которой происходит разрушение материала при однократном облучении. Критерием разрушения материала считается появление повреждений, видимых:

а) невооруженным глазом; б) под микроскопом; в) в поляризованном свете;

г) при просвечивании зондирующим излучением, например гелий-неонового лазера.

5

Признаками повреждения материала являются:

а) появление трещин проплава, кратеров испарения материала;

б) возникновение плазменной вспышки в области облучения;

в) изменение амплитуды прошедшего через материал импульса излучения;

г) изменение величины светорассеяния основного или зондирующего излучения.

Отметим, что лазерное разрушение реальных оптических материалов не имеет четко выраженного порогового характера. При измерениях определяют ту лучевую нагрузку, при которой разрушение материала происходит с вероятностью, не меньшей 0,5. Эту нагрузку и называют порогом ЛП. К тому же исследователи лазерного разрушения материалов располагают, как правило, маломощными лазерами, поэтому фокусировка излучения в объем или на поверхность материала в пятно диаметром 5…1000 мкм является типичным способом определения повреждающих материалов лучевых нагрузок. При импульсном облучении характеристическое время воздействия излучения на материал – длительность одного импульса. При непрерывном облучении целесообразно брать либо время установления стационарного теплового состояния образца τS, либо время распространения радиального потока тепла от границы облучаемой области образца до его торца τR. Для однотипности, воспроизводимости и сопоставимости результатов измерений порогов ЛП обычно применяют одномодовые лазеры с гауссовым профилем пучка или принимают специальные меры для получения равномерного распределения интенсивности излучения по пятну.

Изложенный подход прежде всего позволил определить механизмы лазерного разрушения оптических материалов при импульсном облучении. Существует два основных механизма разрушения:

а) разрушение на сильнопоглощающих неоднородностях структуры материала;

б) развитие электронной лавины вследствие ударной ионизации.

Механизм разрушения на поглощающих включениях связан с разогревом включений лазерным излучением, который может

6

сопровождаться фазовыми переходами (плавление, испарение) как внутри включений, так и в матрице вблизи них, а также возникновением термоупругих напряжений. Подтверждением этой модели разрушения служит локальный характер повреждений – они имеют вид отдельных, хаотически расположенных очагов разрушения.

Развитие электронной лавины вследствие ударной ионизации материала в настоящее время рассматривается в качестве основного механизма разрушения идеального (свободного от поглощающих неоднородностей) оптического материала. Этот вид разрушения и ограничивает порог ЛП материалов. Его действие, очевидно, можно наблюдать в наиболее совершенных материалах. Однако и в совершенных материалах концентрация поглощающих дефектов может достигать 109 см–3. В связи с этим высокие пороги ЛП (1010…1011 Вт/см2), характерные для данного механизма разрушения, наблюдаются в объемах порядка 10–10…10–9 см3, получаемых при острой фокусировке излучения. При больших объемах взаимодействия с материалом порог ЛП определяется и структурными дефектами, играющими роль поглощающих неоднородностей.

Представление о механизмах разрушения оптических материалов при тепловом воздействии непрерывного излучения до недавнего времени в основном базировалось на теоретических (в рамках теории термоупругости) исследованиях. Предполагается, что разрушение ОЭ лазера происходит при достижении действующим на торце элемента растягивающим термоупругим напряжением предела прочности материала. К разрушению ОЭ из полупроводниковых кристаллов может привести развитие тепловой лавины в результате нелинейного роста коэффициента поглощения при лазерном нагреве материала. В последнее время для объяснения причин разрушения ОЭ из пластичных ЩГК используется модель пластического течения материала при тепловом воздействии излучения; например, для ОЭ из полупроводниковых кристаллов (в частности, для ZnSe) термохимические реакции, протекающие на поверхности ОЭ, приводят к увеличению коэффициента поглощения материала.

Исследования ЛП оптических материалов позволили не только определить основные механизмы их разрушения, но и получить информацию об основных закономерностях этих процессов. К числу наиболее значительных достоверных практических результатов этих исследований следует отнести:

7

1)установление существенного (в зависимости от способа оптической обработки) различия между порогами ЛП объема и поверхности ОЭ. Поверхность является наиболее слабым местом ОЭ. Различие в порогах ЛП объема и поверхности свидетельствует о том, что существует множество различных по качеству оптических материалов и элементов (табл. 1). Это определило пути повышения порогов ЛП ОЭ лазеров: получение материала с более низким поглощением, высокой механической прочностью и структурной однородностью, а также совершенствование старых и разработку новых технологий обработки поверхностей ОЭ;

2)обнаружение размерного эффекта – зависимости порога ЛП от размера пятна облучения. Суть его состоит в том, что с увеличением размера пятна облучения порог ЛП материала снижается (табл. 2). Это обусловлено наличием в материале поглощающих включений с определенным распределением по объему материала. При больших пятнах облучения резко возрастает вероятность попадания в область облучения дефектов, для которых характерен низкий порог ЛП. Размерный эффект известен как для объема оптического материала, так и для поверхности, как при импульсном режиме облучения, так и при непрерывном. Отсутствие размерного эффекта свидетельствует о статической однородности оптического материала;

3)установление влияния модового состава и флуктуаций мощности лазерного излучения на пороги ЛП оптических материалов. В частности, при увеличении числа продольных и поперечных мод порог ЛП материала существенно снижается.

Взависимости от модового состава излучения порог ЛП оптического материала снижается в 4–100 раз по сравнению со значениями, получаемыми при использовании одномодового лазера.

Предварительная пластическая деформация ЩГК – создание различного типа структурных состояний, существенно повышающее механическую прочность кристаллов, не изменяет их пороги ЛП. В то же время при изготовлении методом горячего

прессования лазерные окна из NaCl имели порог ЛП до 8 Дж/см2 при 5 Дж/см2 для монокристалла (10,6 мкм, 1,2 нс); при этом предел текучести поликристалла вчетверо превышал соответствующий параметр монокристалла.

Проблема лучевой прочности ИК-кристаллов прежде всего есть проблема технологическая – определяющим фактором яв-

8

ляется качество оптического материала и обработки поверхностей ОЭ. При этом необходимая степень совершенства материала и обработки поверхностей зависит от конкретных режимов лазерного воздействия.

Таблица 1

Пороги ЛП ИК-материалов при воздействии импульсного излучения (длина волны 10,6 мкм, энергия излучения 100 мДж, длительность импульса 92 нс) [1]

Таблица 2

Зависимость порогов ЛП ИК-материалов от размера пятна облучения (длина волны 10,6 мкм, длительность импульса 90 нс)

____________

*На уровне снижения интенсивности излучения от центра пятна в е2 раз.

**Кристаллы выращены в реактивной атмосфере и удовлетворяли следующим условиям: а) отсутствие полосы поглощения в диапазоне 0,5… …10,6 мкм; б) поглощение не более 10–3 см–1; в) отсутствие центров рассеяния при облучении Не-Ne-лазером и наблюдении при 20-кратном увеличении.

9

В настоящее время известны результаты измерений порогов ЛП оптических материалов в импульсном и непрерывном режимах для различных размеров пятен облучения. Отметим, что основная часть измерений порогов ЛП при импульсном облучении проведена в наносекундном диапазоне длительностей импульса. В одинаковых условиях измерений ЩГК (NaCl, KCl) обладают бόльшими порогами, нежели другие материалы. Однако наличие размерной зависимости порогов ЛП на практике привело к тому, что оптический материал (элемент), аттестованный по порогу ЛП в малом пятне, при работе в лазерах с большой апертурой имел порог разрушения на порядок ниже. Этим была обусловлена необходимость измерений ЛП в больших пятнах облучения для оценки перспективности применения реальных материалов для изготовления крупногабаритных ОЭ (табл. 3). Заметим, что в больших пятнах облучения пороги импульсной ЛП различных ИК-материалов отличаются не более чем в два раза. Для непрерывного режима пороги ЛП некоторых ИК-материалов при разных пятнах облучения представлены в табл. 4.

*Диаметр пятна облучения 1,5…3 см, длительность импульса 150 нс.

**Кристаллографические направления.

10

* Время облучения 2 мин.

Порог ЛП реального оптического материала или элемента является функцией как режима облучения (времени воздействия, энергии или мощности излучения и их распределения, размера пятна облучения), так и качества материала и состояния поверхности ОЭ.

Однако, характеризуя их ЛП, исследователи не приводят необходимой совокупности данных, которые позволяют однозначно их трактовать или сравнивать: используют разные критерии разрушения; не всегда указывают, какой порог ЛП измерен (в объеме или на поверхности образца); при непрерывном режиме не приводят данные о времени облучения. Это затрудняет возможность корректного сравнения порогов ЛП реальных материалов, полученных разными авторами. Критерии, позволяющие прогнозировать пороги ЛП при переходе от одних условий облучения к другим, от образцов – к ОЭ, в настоящее время отсутствуют. Только весьма осторожно можно отметить, что для некоторых материалов (NaCl, KCl, BaF2, GaAs – при импульсном облучении; NaCl, KCl, ZnSe, GaAs – при непрерывном) характерны высокие пороги ЛП как в малых, так и в больших пятнах облучения.

В настоящее время порог ЛП реального оптического материала или элемента, измеренный в малом пятне облучения, является качественной характеристикой по отношению к реальным

11