Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
При более мягком воздействии импульсно-периодических или непрерывных широкоапертурных пучков:
а) основной причиной развития термоупругих напряжений является нагрев кристалла из-за поглощения в объеме;
б) разрушение происходит с накоплением дефектов в процессе оптического воздействия: наблюдается пластическая деформация, завершающаяся макроскопическим растрескиванием кристалла.
136
Можно предложить некоторые обобщающие критерии, определяющие применимость кристалла для лазерной оптики. Эти критерии должны включать:
1) коэффициент поглощения, определяющий уровень термической нагрузки на кристалл при данной интенсивности излучения;
2) механические характеристики кристалла - предел текучести, предел прочности и предел хрупкого разрушения, от которых зависит стойкость кристалла к воздействию термоупругих напряжений.
Характеристики, определяющие лучевую прочность для основных материалов, даны в табл. 6.1.
В табл. 6.1 приняты следующие обозначения:
К - коэффициент поглощения;
п - показатель преломления;
р - плотность;
Тил - температура плавления;
Хт - теплопроводность;
С - удельная теплоемкость;
а - коэффициент линейного расширения;
Е - модуль упругости;
ау - предел упругости.
В качестве критерия лучевой прочности рассматриваются [26] комбинации механических и тепловых характеристик, от которых зависит нагрев кристалла при облучении:
1) в непрерывном режиме при охлаждении окна по дааметру
2) в непрерывном режиме при охлаждении окна по поверхности
где г - радаус оптического элемента;
И - коэффициент теплоотдачи;
т - длительность импульса (остальные обозначения те же, что и в табл. 6.1).
Величины, характеризующие объемную лучевую прочность некоторых кристаллов, приведены в табл. 6.2.
Во многих случаях важны изменения, происходящие в кристалле до разрушения, приводящие к искажению волнового фронта лазерного луча. Такие искажения могут возникать уже на ранних стадиях накопления термоупругих напряжений вследствие эффекта фотоупруго-
(сгуХткхКЕ);
(6.2)
(сгу/аКЕ)(Хт + hr);
3) в импульсном режиме (ст у!а.КЕ) (СгУт),
(6.2, а)
(6.3)
137
Таблица 6.1. Основные характеристики кристаллических материалов силовой оптики ИК-лазеров
т
ST
ев
Ж
«
Я
а
В
5
6
«rh
о о о О 00 о ъ & 5
4. § — no о »/¦> Т У> — ON со (N <N <N
Os Tf го о
О О Г- <N о S© О
ТГ ГЛ го cs SO —^ 1/^
o' o' o' o’" o' о o'
>к
о
ffl
и
и
a &
о
о
1*
ч
о
о
Ji,
ш
*!
ON «Л ов i/i 1/-Г у> оо о"
«о N 00 О » О СО ^ СО 'О <N
>с о >Л сс Г'
. «Л С4 ON Cs* OS
mS mS o' ~ S wS
м >Л 00 "¦
? о 'о 'О Tl- — V ~ fs, о о о о
ON 00 'О 00
о о о о
о о о о о
(NOr*O«-0N«N't00-0N СО SO ^ ^ Tf Tf *л ON СО со
СО <N <N <N — — —~ -- <N —
? ,
(4 .Ц
0/-Ц000000©©.— ^ Т^ТГ’Г’ГГГТТ-о' ^ ¦MiflSO-irtN-'O'
« <! 0 «
H хл
So
d *U C S ев vj **
oo^zs^^
°<g«
138
Таблица 6.2. Лучевая прочность кристаллов при апертуре луча до 3 см, длительности импульса > ОДмс (22]
Материал Разрушающая плотность мощности, МВт/мм2
поверхность объем
BaF2 >2 >2
КС1 1,0...1,6 1,2...1,6
NaCl 0,8...1,2 0,8...1,3
KRS-5 1,3...2,0 1,1...1,6
ZnSe 0,8... 1,0 0,8...0,9
GaAs 0,5...1,1 -
Ge 0,6...1,0 -
Таблица 6.3. Коэффициенты искажения волнового фронта излучения лазера (15,27]
Кристалл ini AT, 10-6 град-1 (I-v)a(n-l), 10-6 град-1 (n3/2) aE<n>, 10-* rpajr1 X, lO-4 rpajr1 (ХЖх)ЮЛ Вт
Ge 111 23,1 16,7 316,8 0,093
GaAs 149 17,5 -6,0 160,5 30
CdTe 107 13,2 3,0 123,2 5
ZnSe 48 15,8 2,9 66,7 27
Алмаз 8 1,5 0,22 9,72 205
NaCl 33 30,0 3,6 0,6 109
KC1 27,5 23,0 4,0 -0,5 1850
KBr 40 31,0 5,4 -3,6 134000
Csl 9,1 48,0 - 39,0 300000
KRS-5 237 106,0 27,0 -103,0 530
BaF2 17 13,1 ?,1 _ -2,8 0,36
сти, и критерий оптической прочности должен включать величины, характеризующие искажение волнового фронта. Для таких случаев в [26] предлагаются следующие критерии лучевой стойкости (Вт):
в непрерывном режиме - QJKy) (Ыг); (6.4)
в импульсном режиме - QJK%) (сг/т), (6.5)
где х - коэффициент искажения волнового фронта, определяемый [204] по формуле
% = (dnldT) + (1 + v)ot(n - 1) + (л3/2) а?(рц - pi2), (6.6)
где р - константы фотоупругости; v - коэффициент Пуассона;
X - длина волны излучения (остальные обозначения те же, что в
(6.2) и (6.3) и в табл. 6.1).
Первый член этого выражения учитывает искажение волнового фронта из-за температурной зависимости показателя преломления, второй - из-за теплового расширения и последний - из-за эффекта фотоупругосги. Стрела прогиба волнового фронта 8 = у)АТ (/ - толщина оптического элемента).
Величины, определяющие искажения волнового фронта для некоторых кристаллов, приведены в табл. 6.3. Выбор критического размера прогиба волнового фронта определяется конкретным способом применения оптического материала.
6.6. ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ КРИСТАЛЛОВ И ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Методы повышения оптической прочности кристаллических элементов проходной оптики мощных лазеров можно разделить на три основных группы:
1) упрочнение кристаллической матрицы;
2) оптимизация технологии обработки поверхности;
3) совершенствование условий эксплуатации оптических элементов.
