Введение к работе
Актуальность темы
Создание мощных лазерных систем на СОг, излучающих в области 10 мкм, является одним из основных направлений развития лазерной техники. С02-лазеры широко применяются для стимулирования химических реакций, лазерного термоядерного синтеза, разделения изотопов, в лазерных технологиях и т.д.
В этих лазерных системах необходимо применение выходного элемента — окна или полупрозрачного зеркала, разделяющего активное вещество и атмосферу. Одним из основных факторов, ограничивающих технические характеристики СОг-лазеров, является недостаточно высокая лучевая стойкость выходной оптики. Так, предельно достижимая интенсивность излучения реальной лазерной системы в настоящее время определяется, как правило, оптической стойкостью выходного элемента. Поэтому весьма актуальной является задача исследования физики процесса взаимодействия мощного лазерного луча с прозрачным оптическим элементом. Изучению оптической стойкости различных материалов в области 10 мкм посвящено множество работ. Как в России, так и за рубежом, получен ряд интересных результатов. Однако основные усилия сосредоточены в направлении исследования порогов так называемого «собственного» механизма разрушения, то есть, по сути дела, определения стойкости идеального оптического материала, либо порогов разрушения на включениях. Технически это осуществляется путём собирания излучения маломощного одночастотного лазера короткофокусной линзой в объём (или на поверхность) материала в пятно диаметром =50 мкм. При таком режиме воздействия величина порога оптической стойкости может достигать 1010-г101! Вт/см2, тогда как реальные оптические элементы заметно повреждаются уже при 107 Вт/см . Это различие вызвано рядом причин, в первую очередь, размерным эффектом, а также наличием в материале многочисленных структурных дефектов, резко снижающих его стойкость.
При изучении влияния дефектов структуры на оптическую стойкость также принято использовать малые пятна зоны воздействия, так как это позволяет с максимально возможной точностью воспроизводить от импульса к импульсу параметры лазерного излучения. И в этом случае исследования обычно проводят путём измерения порогов повреждения образцов. Изучение реальной оптической стойкости непосредственно на опыте эксплуатации оптических элементов мощных
лазеров почти не практикуется, так как получение таким способом однозначной информации о физике процесса затруднено. Однако, поскольку для нужд практики реальная оптическая стойкость представляет значительный интерес, а также имеет самостоятельное научное значение, то необходимо шире развивать подобные исследования.
Цель работы
Настоящая диссертационная работа была поставлена с целью сопоставить в одной серии экспериментов, в условиях, максимально приближённых к реальным, оптическую стойкость материалов ИК-техники, прозрачных в районе 10 мкм, а также выявить перспективы их использования для изготовления выходных элементов мощных импульсных СС^-лазеров. Кроме того, в задачи исследования входило выяснение причин выхода из строя реальных оптических элементов и поиски путей их реставрации, а также определение технологических резервов улучшения качества материала.
Научная новизна работы
К началу работы в литературе практически отсутствовали сведения о причинах выхода из строя прозрачной оптики мощных крупноапертурных импульсных С02-лазеров, её эксплуатационных возможностях, а также о способах реставрации повреждённых элементов. Не были исследованы особенности прохождения импульса мощного широкого пучка ИК-излучения через оптические кристаллы, роль плазмы низкопорогового оптического пробоя воздуха в процессе их деградации при воздействии, а также структура повреждений в этих материалах.
В работе, впервые в одном эксперименте, при апертуре луча, сопоставимой с размерами образца, сравнивается реальная оптическая стойкость основных материалов — претендентов на использование в СС^-лазерах, а именно: BaF2, NaCl, КС], KBr, Rbl, AgCl, Csl, КРС-5, КРС-6, ZnSe, ZnS, GaAs и Ge. Показано, что для большинства этих кристаллов основным поражающим фактором является плазма низкопорогового пробоя воздуха у поверхности оптического элемента.
Впервые экспериментально сопоставлены нелинейные потери в 13 кристаллах при прохождении излучения с плотностью мощности 107+4х 108 Вт/см2. Обнаружено, что хвостовая часть импульса практически полностью поглощается в плазме низкопорогового оптического пробоя воздуха вблизи поверхности кристалла, а
пиковая поглощается частично — «горячими» неравновесными носителями заряда, генерируемыми в материале полем лазерного излучения. Потери излучения в кристалле экспоненциально зависят от ширины запрещённой зоны материала. Эта зависимость впервые получена экспериментально и объяснена теоретически.
Впервые исследованы особенности поражения монокристаллов германия излучением мощного импульсного СОг-лазера. Показано, что поражается только приповерхностный слой, лавинный пробой которого приводит к генерации неравновесных носителей. Этот слой является как бы нелинейным фильтром, предохраняющим объём кристалла от повреждения. Обоснована и практически апробирована возможность реставрации германиевых окон и зеркал путём переполировки. Впервые разработаны, изготовлены и испытаны в составе предприятия монокристаллические германиевые окна диаметром 420 мм.
Впервые исследованы особенности процесса объёмного порообразования в щёлочно-галоидных кристаллах (ЩГК) в результате воздействия лазерного импульса при апертуре луча, сопоставимой с размерами образца. Впервые исследована статистика распределения пор по размерам в NaCl, КС1, КВг и Rbl. Исследовано влияние на процесс порообразования различных факторов: параметров кристаллической решётки, примесного состава, структуры точечных дефектов, варьируемой путём воздействия проникающей радиации и последующего отжига.
Впервые выявлена зависимость размера пор от условий воздействия, параметров воздействующего лазерного импульса, энергии кристаллической решётки.
Впервые исследовано влияние конгломератов точечных дефектов, полученных путём воздействия ионизирующей радиации, а также благодаря целенаправленному введению в кристалл различных примесей, на процесс «лазерного» порообразования. Впервые изучена кинетика термического отжига этих пор и предложен механизм их залечивания.
Практическая значимость работы
1. Определены уровни предельно допустимых лучевых нагрузок на прозрачные
оптические элементы мощных широкоапертурных импульсных СОг-лазеров.
Выбраны наиболее перспективные материалы для этих систем — монокристаллы
хлористого натрия (NaCl) и германия (Ge).
2. Разработаны, изготовлены и испытаны выходные окна и зеркала мощных
широкоапертурных импульсных СОг-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. Обоснован процесс реставрации повреждённых зеркал и окон путём переполировки.
3. На основе исследования процесса порообразования в ЩГК при воздействии лазерного излучения предложен метод частичной реставрации повреждённых оптических элементов из ЩГК. Выявлена технология выращивания кристаллов, свободных от поглощающих примесных микронеоднородностей, ответственных за повреждение реальных оптических элементов.
Положения, выносимые на защиту:
-
Для большинства реальных прозрачных оптических элементов импульсных С02-лазеров, излучающих в режиме свободной генерации, то есть при длительности импульса порядка 10"* с, основным поражающим фактором является плазма низкопорогового оптического пробоя воздуха, возникающего вблизи поверхности элемента. Плазма вызывает растрескивание и пластическую деформацию хрупких и пластичных ионных кристаллов соответственно, а также возникновение в них радиационных дефектов.
-
Экспериментально и теоретически полученное уравнение экспоненциальной зависимости нелинейных потерь в оптических кристаллах от ширины запрещённой зоны материала.
-
Экспериментально и теоретически исследованный механизм оптического пробоя приповерхностного слоя оптических элементов из кристаллов германия, экранирующего объём детали от разрушающего воздействия и методы реставрации повреждённых деталей путём переполировки.
-
Экспериментально выявленный механизм объёмного порообразования в ЩГК при воздействии импульса излучения С02-лазера вследствие оптического пробоя поглощающих микронеоднородностей, являющихся сложными примесными центрами, возникшими при коагуляции анионных примесей. Механизм воздействия проникающей радиации на процесс «лазерного» порообразования. Экспериментально полученное уравнение зависимости размеров пор от энергии кристаллической
решётки. Способ частичной реставрации лазерной оптики с возникшими порами путём отжига.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на:
-
I Всесоюзной школе-конференции «Применение лазеров в машиностроении и других областях техники и физические вопросы разработки газовых лазеров» (Москва, 1974 г.).
-
V Всесоюзном совещании по получению профилированных монокристаллов способом А.В. Степанова (Ленинград, 1976 г.).
-
IV Всесоюзном совещании по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1978 г.).
-
V Всесоюзном совещании по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1981 г.).
-
X Сибирском совещании по спектроскопии: Инверсная заселённость и генерация на переходах в атомах и молекулах (Томск, 1981 г.).
-
VI Всесоюзной конференции по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Вильнюс, 1984 г.).
-
VII Международном форуме «Высокие технологии XXI века» (Москва, 2006 г.).
8. Конференции V Международного Форума «Лазерные и оптические системы и
технологии», Москва, ВВЦ, 2009 г.
Публикации
По результатам работы опубликованы 2 монографии, 10 статей, тезисы 5 докладов на конференциях, получено 1 авторское свидетельство.
Объём и структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объём диссертации составляет 155 страниц машинописного текста, включая 85 -рисунков, 10 таблиц и список литературы из 279 наименований.
