Введение к работе
Актуальность темы
Разработка мощных широкоапертурных СО- и СОг- лазеров обострила потребность в материалах для изготовления крупногабаритных оптических элементов (окон, призм, линз и т.п.) для силовых оптических трактов, способных работать без разрушения в условиях воздействия ИК излучения с интенсивностью, достигающей десятков киловатт в непрерывном и энергией несколько килоджоулей в импульсном режимах генерации.
Воздействие лазерного излучения на материал имеет сложный характер. Действие лазерного излучения может приводить к общему нагреву материала и возникновению термических напряжений, к локальному нагреву неоднородностей материала, которые являются концентраторами напряжений, к появлению электромагнитных полей на уровне пробоя, к появлению плазменных факелов вблизи поверхности материала, вызывающих нагрев материала и возникновение ударных волн, и т.д. Характер воздействия лазерного излучения во многом зависит от вида излучения (импульсное или непрерывное, сфокусированное или широкоапертурное) и от свойств оптического материала.
В настоящее время выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на повышение работоспособности оптических элементов силовой ИК оптики. Разработаны принципы создания проходной оптики импульсных и непрерывных лазеров среднего ИК диапазона, способы повышения лазерной стойкости, надежности и срока службы элементов силовой ИК оптики, а также конструкции окон вывода излучения мощных широкоапертурных импульсных и импульсно-периодических СОг-лазеров. Созданы физические модели процессов лучевого разрушения материалов под действием лазерного излучения. Открыт эффект накопления повреждений при облучении материалов лазерным излучением.
Важнейшим требованием к материалам для элементов лазерной оптики является низкий коэффициент поглощения в ИК области спектра. Окна вывода излучения СОг-лазеров изготавливают из полупроводниковых соединений типа А3В5 и АгВб (GaAs, ZnSe, CdTe) и щелочногалоидных кристаллов. Из-за сильной температурной зависимости концентрации носителей заряда, а следовательно и коэффициента поглощения, полупроводниковые кристаллы могут быть использованы при относительно низких плотностях мощности излучения (до 0,5-3 кВт/см). Щелочногалоидные кристаллы (ЩГК), имеющие достаточно низкий коэффициент поглощения в ИК области спектра, порядка 10" см" , перспективны для изготовления крупногабаритных оптических элементов (ОЭ) силовых оптических трактов. Недостатком кристаллов является низкая механическая прочность, в связи с высокой
анизотропией свойств, приводящей к легкому раскалыванию кристаллов по плоскостям спайности, появлению трещин и разрушению ЩГК в условиях термомеханических перегрузок. Для увеличения лазерной стойкости оптических элементов из ЩГК и расширения возможностей их использования в оптических трактах мощных лазерных установок необходимо повысить механическую прочность кристаллов. Так как один из основных методов упрочнения ЩГК - легирование приводит к одновременному увеличению поглощения в ИК области спектра, то поиск методов упрочнения ЩГК определяет актуальность данной работы.
Цель и задачи работы
Целью работы является разработка метода повышения стойкости оптических элементов из ЩГК к лазерному воздействию путем увеличения механической прочности при сохранении высоких оптических характеристик кристаллов.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
исследовать деформационное упрочнение кристаллов в процессе термомеханической обработки (ТМО);
найти оптимальные условия ТМО для деформационного упрочнения ЩГК, обеспечивающие упрочнение кристаллов, сохранение низкого коэффициента поглощения и устойчивость полученной микроструктуры при повышенных температурах;
изучить влияние деформационного упрочнения на оптическое качество и стойкость ЩГК к воздействию импульсного и непрерывного лазерного излучения;
разработать способ термомеханической обработки крупногабаритных кристаллов и разработать метод изготовления дифракционных оптических элементов проходной ИК лазерной оптики с помощью пластической деформации.
Научная новизна работы
Установлена зависимость упрочнения ЩГК от вида микроструктуры, полученной в результате ТМО в диапазоне температур 300-900 К.
Определены оптимальные условия ТМО, обеспечивающие упрочнение кристаллов, сохранение низкого коэффициента поглощения и устойчивость полученной микроструктуры при повышенных температурах: температура деформации 400-450 К, степень деформации 10-15 %, скорость деформации 0,01-0,1 мм/мин.
Установлено, что изготовленные из упрочненных кристаллов оптические элементы проходной лазерной оптики имеют повышенную стойкость к лазерному воздействию при различных режимах облучения: значения порогов лазерного повреждения объема и поверхности деформационно-упрочненных ЩГК в 1,2-1,5 раза выше, чем у монокристаллов.
Показана возможность использования пластической деформации путем одноосного сжатия пластин КС1 для получения дифракционных оптических элементов на поверхности ЩГК.
Практическая значимость работы
Разработаны режимы ТМО для деформационного упрочнения оптических элементов из кристаллов КС1. Разработано стендовое оборудование для получения крупногабаритных деформационно-упрочненных заготовок оптических элементов широкоапертурных ССЬ-лазеров из кристаллических пластин ЩГК диаметром до 300 мм путем сжатия при температурах 300 -900 К при усилиях до 1200 кН и скоростях деформации 0,01-1 мм/мин.
Из деформационно-упрочненных кристаллов изготовлены окна вывода излучения ССЬ-лазеров с апертурой до 150 мм, с удельной лазерной стойкостью в 1,2-1,5 раз превышающей стойкость окон из исходных монокристаллов.
Разработан метод получения дифракционных оптических элементов путем деформации сжатием монокристаллов ЩГК, позволяющий получать дифракционные решетки, линзы Френеля и другие дифракционные оптические элементы проходной ПК лазерной оптики.
Основные результаты, выносимые на защиту.
Зависимость механических и оптических свойств кристаллов КС1 от условий деформации, обеспечивающей деформационное упрочнение, низкий коэффициент поглощения кристаллов КС1 и изменение микроструктуры в процессе термомеханической обработки при различных температурах.
Влияние деформационного упрочнения на лазерную стойкость кристаллов КС1.
Режимы ТМО для деформационного упрочнения монокристаллических заготовок оптических элементов из КС1 и метод получения дифракционных оптических элементов из кристаллов КС1 путем пластической деформации.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на девяти международных и республиканских научных конференциях:
научно-технической конференции "Технология производства и обработки оптического стекла и материалов", Москва, Дом оптики, 15-16 ноября 2000 г.;
IV Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы создания лазерных систем", г. Радужный, 25-27 сентября 2002 г.;
VI International Conf. "AMPL'2003", Tomsk, 15-19 September 2003 г.;
Второй Международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», посвященной памяти М.П. Шаскольской, Москва, 28-30 октября 2003 г.;
симпозиум «Лазеры на парах металлов», Лоо, 2004 г.;
республиканской научно-технической конференции «Лазеры. Измерения. Информация», С-Петербург, 8-9 июня 2005 г.;
VII International Conf. "AMPL'2005", Tomsk, 12-16 September 2005 г.;
симпозиум «Лазеры на парах металлов», Лоо, 2006 г.;
IV Российско-Японском семинаре «Перспективные технологии и оборудование для материаловедения, микро- и наноэлектроники», Астрахань, 22-23 мая 2006 г.;
Третьей Международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», Москва-Черноголовка, 20-24 ноября 2006 г.;
По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ: 6 статей в журналах и сборнике трудов и 13 тезисов докладов.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы, включающего 149 наименований. Диссертация изложена на 132 страницах, содержит 48 рисунков, 9 таблиц.
