Введение к работе
Актуальность работы
С начала 90х годов лазеры, работающие в ближнем инфракрасном диапазоне, получили широкое распространение. В медицине лазерные системы с длиной волны 1.56 мкм оказались эффективными для нехирургической коррекции зрения, а также для лазерной термопластики хрящей (поскольку слабо поглощаются в меланине и гемоглобине, но хорошо- в воде). Лазеры полуторамикронного диапазона применяются в дальнометрии и для дистанционного зондирования благодаря окну прозрачности атмосферы в диапазоне 1,5-1,75 мкм.
Одним из ключевых элементов лазера являются зеркала лазерных резонаторов. Существенной проблемой, возникающей при изготовлении таких зеркал, является нестабильность их лучевой прочности (порога разрушения) не только от партии к партии, но и внутри партии.
По ОСТ-11 070.802-80 лучевая прочность (ЛП)- свойство оптического материала (элемента) выдерживать кратковременное воздействие лазерного излучения и при этом выполнять свои функции и сохранять свои параметры после воздействия. Проблема получения покрытий с высокой лучевой прочностью является актуальной задачей современного оптического приборостроения, поскольку разрушение оптических элементов под действием собственного излучения ОКГ является фактором, лимитирующим их предельную мощность и срок службы. Сложности, возникающие при попытке решения этой проблемы, заключаются в том, что она сопряжена с необходимостью проведения большого количества исследований и обобщения полученных результатов как в прикладных областях (например, вакуумной технике, лазерной технике, технологии оптических покрытий и пр.), так и в фундаментальных (взаимодействие излучения и вещества, термодинамика испарения, процессы пленкообразования и пр.).
Цель работы
Целью диссертационной работы является определение влияния ошибок в толщинах слоев, допущенных при нанесении диэлектрического зеркала, на лучевую прочность диэлектрических зеркал при воздействии наносекундными импульсами.
Задачи исследования
- Анализ технологических факторов, влияющих на лучевую прочность.
- Анализ методов контроля лучевой прочности.
- Измерение лучевой прочности, спектральных характеристик, изучение дефектов покрытия, возникающих при контроле лучевой прочности.
- Изготовление и исследование лучевой прочности опытных образцов диэлектрических зеркал.
- Анализ связи ошибок, допущенных при контроле толщин слоев, поглощения в слоях с лучевой прочностью.
- Анализ дисперсии показателя преломления диоксида гафния на лучевую прочность зеркала.
Методы исследования
В работе применяются аналитические и численные методы расчета спектральных коэффициентов пропускания и отражения, анализа влияния малого поглощения в слоях, анализа точности контроля толщины слоев при осаждении покрытия. Использовались рекуррентный и матричный методы описания слоистых систем для расчета распределения напряженности электрического поля в слоях. Для контроля толщины слоев исследуемого зеркального покрытия по мере осаждения использовался метод контроля толщины по массе. Для измерения спектральных характеристик использовались спектрофотометры СФ-256 УВИ и СФ-256 БИК. Для контроля лучевой прочности использовался стенд ИСЛП-1-01-800 ЛЗ с использованием лазера ЛТС-154 (рабочая длина волны 1.54 мкм). Расчеты проводились в программе MathCAD.
Научная новизна диссертации.
В ходе работы выявлена связь между ошибками в толщинах слоев, допущенных в ходе нанесения покрытия, вызванные этим искажения спектральных зависимостей отражения и пропускания и лучевой прочностью диэлектрических зеркал. При условии статистически значимого количества экспериментов эта связь может быть положена в основу метода определения лучевой прочности диэлектрических зеркал при постоянных технологических параметрах (способов полировки деталей, способов чистки деталей перед установкой в вакуумную камеру, способов нанесения покрытия, обработки тлеющим разрядом, технологических факторов (скорости испарения, температуры подложек в процессе испарения, температуры расплава), состояния вакуумной камеры (давление остаточных газов), чистоты исходных пленкообразующих веществ (а также их стехиометрического состава), вид вещества (порошок, гранулы, таблетки и т.д.)), способов оплавления пленкообразующего материала, обработки деталей после нанесения покрытия (например, воздействие с помощью различных источников излучения)).
Основные результаты, выносимые на защиту.
1. Установлена связь между ошибками, допущенными при контроле толщин слоев четвертьволнового диэлектрического зеркала напряженностью электрического поля в его слоях.
2. Установлена связь между ошибками, допущенными при контроле толщин слоев четвертьволнового диэлектрического зеркала и его лучевой прочностью.
3. Установлена связь между поглощением в слоях и лучевой прочностью.
Практическая ценность.
Установлено, что метод контроля толщины осаждаемого вещества по массе (метод "кварцевого резонатора") позволяет получать воспроизводимые значения лучевой прочности при постоянстве технологических факторов (постоянной температуры охлаждения кварцевого датчика, использование пленкообразующих материалов со стабильными параметрами). Предложены основы нового метода контроля лучевой прочности. Оформляется заявка на патент.
Вклад автора в работу.
Изготовление образцов, исследование спектральных характеристик и лучевой прочности, и расчеты распределения напряженности электрического поля внутри слоев диэлектрического зеркала, включенные в диссертацию, выполнены автором.
Апробация работы.
Основные результаты работы представлялись на VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых в 2010 году, на VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых в 2011 году, на XL научной и научно-методической конференции СПбГУ ИТМО в 2011 году, на XLI научной и научно-методической конференции СПбГУ ИТМО в 2012 году, на I Всероссийском конгрессе молодых ученых в 2012 году.
По теме диссертации опубликовано 4 работы. Из них одна в издании из перечня ВАК.
