Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
Возможности повышения оптической прочности кристалла вытекают из критериев прочности, приведенных в п. 1.6.5, и сводятся к уменьшению поглощения и увеличению механической прочности. Уменьшение поглощения достигается, во-первых, очисткой сырья и, во-вторых, совершенствованием процесса выращивания кристаллов с целью уменьшения концентрации дефектов (прежде всего, поглощающих микровключений и точечных дефектов), повышающих оптическое поглощение. Минимальное значение коэффициента поглощения, которое может быть достигнуто для данного кристалла, определяется свойствами его кристаллической структуры. Для некоторых кристаллов эти величины приведены в табл. 6.1.
Механическое упрочнение кристалла может сыграть роль при относительно мягких воздействиях, когда работают механизмы накопления с участием пластической деформации, а разрушение происходит в результате развития макроскопических трещин. Возможности упрочнения были реализованы на объемных кристаллах ЩГК в работах, проводившихся на кафедре физики кристаллов МИСиС. Известно, что наиболее эффективный метод упрочнения ЩГК - легирование иновалентными катионными примесями, имеющими ионный радиус, близкий к ионному радиусу катиона матрицы. Однако в данном случае упрочнение легированием дает противоположный результат: кристаллы становятся менее стойкими к лазерному воздействию, так как эффект увеличения коэффициента поглощения при легировании превосходит эффект механического упрочнения. Более эффек-140
тивным оказывается деформационное упрочнение. Однако и при таком упрочнении наблюдается повышение поглощения при больших степенях деформации.
Поэтому для упрочнения оптики из ЩГК для непрерывных СО2-лазеров был предложен режим двукратного деформирования при комнатной температуре до степени деформации 7 % с промежуточным отжигом при 300 °С и скорости нагрева 50 град/ч и скорости охлаждения 10 град/ч. Такой режим позволял получать деформационное упрочнение кристаллов за счет повышения плотности дислокаций, устраняя возникающие при деформации точечные дефекты, которые способствуют повышению поглощения света. В результате лучевая прочность кристалла возрастала в несколько (10...13) раз. Однако при такой обработке получаются сильно неравновесные структуры с большой плотностью дислокаций, что создает возможность изменения структуры кристалла или в процессе эксплуатации вследствие рекристаллизации при нагреве лазерным лучом, или даже при хранении кристалла при комнатной температуре. Поэтому для повышения лучевой прочности кристаллов предлагается термомеханическая обработка, включающая деформацию при повышенной температуре (около 300 °С) со скоростями деформации около 0,07 мм/мин. Такая деформация позволяла получать однородную устойчивую мелкозернистую структуру, что обеспечивает упрочнение при пластической деформации и растрескивании за счет торможения дислокаций и трещин границами зерен. Мелкозернистая структура локализует и те трещины, которые возникают на локальных микро-неоднородностях.
Роль механического упрочнения возрастает с увеличением апертуры луча, так как с ростом апертуры возрастает роль макронапряжений в процессе деформации и разрушения кристалла при лазерном облучении. Наиболее полезным механическое упрочнение оказывается для повышения оптической прочности окон, работающих в условиях перепада давления и испытывающих дополнительные механические нагрузки. В этом случае применение упрочненных кристаллов для изготовления окон вывода излучения позволяет уменьшить толщину окна и, следовательно, снизить интегральное поглощение света окном, что приводит к повышению их оптической прочности.
Совершенствование технологии обработки поверхности, так же как и объема, имеет целью снижение оптического поглощения и повышение механической прочности. Одной из основных причин поглощения света на поверхности могут быть частицы абразива, оставшиеся на поверхности в микропорах и трещинах. Поэтому при шлифовке и полировке поверхности на заключительных стадиях не следует применять абразивы, материал которых способен поглощать излучение на тех длинах волн, на которых работает данный оптиче-
141
ский элемент. В частности наиболее прозрачным для СОг-лазеров является алмаз, поэтому оптические элементы для СОг-лазеров следует обрабатывать алмазным абразивом, даже если обрабатывается такой мягкий материал, как ЩГК. Снижение толщины приповерхностного нарушенного слоя достигается использованием химико-механической полировки, сочетающей механическую полировку и химическое травление [28]. Для ЩГК финишной обработкой, дающей оптическую прочность поверхности, близкую к объемной, является полировка на батистовом полировальнике с водой и без абразива.
Совершенствование условий эксплуатации является важнейшей проблемой, включающей как режимы эксплуатации кристаллической оптики, так и конструктивное оформление оптических элементов, позволяющее ослабить влияние плазменного факела на поверхность оптического элемента [29]. Следует учитывать, что кристаллическая оптика во многих случаях отличается от стеклянной и не допускает попадания на поверхность оптического элемента брызг металла, воды и пыли. Ранее описана возможность повышения оптической прочности с помощью лазерной «тренировки».
