Разработка способов повышения оптической стойкости ИК-материалов и создание окна ввода-вывода излучения мощного широкоапертурного ТЕА СО2-лазера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ_

На Правах рукописи

Для служебного пользования Экз. В? ОО/бГ

КАЗАНЦЕВ Сергей Геннадьевич

УДК 6.21.373.8.038.825.2

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ ИК - МАТЕРИАЛОВ И СОЗДАНИЕ ОКНА ВВОДА -ВЫВОДА ИЗЛУЧЕНИЯ МОЩНОГО ШИРОКОАПЕРТУРНОГО ГЕА С02 -ЛАЗЕРА

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1505 033

Москва 1994

Работа выполнена в Опытном конструкторском бюро "Радуга"

Научный руководитель: профессор, доктор физико-математических наук БЛИСТАНОЗ A.A.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук ШЕНЦЕВ Н.И.

кандидат физико-математических наук МАЛИНКОВИЧ М.Д.

Ведущая организация: НПО "Астрофизика"

Защита состоится ЫН)Н& IQ94 г. в '/^час.

на заседании специализированного совета Д 053.08.06 по гтрисужде-, ним ученых степеней при Московском институте стали и сплавов по адресу: I17936, ГСП-I, Ленинский проспект, д.4.

С .диссертацией можно ознакомиться ».библиотеке института.

Автореферат разослан " " 1994 г.

Справки по телефону: 236-81-33

Учений секретарь совета, кандидат физико-математических наук, доцент

ГЕРАСЬКИН В.В.

- 3.-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность те'.и. Экспериментальные исследования по термоядерному сV,птозу, технологиям лазерной обработки материалов, системам навигации и связи и т.д., для которых созданы COg-лазеры с уровнями выходной мощности, достигающими сотен киловатт в импульс-но-периодическом режиме и десяткоз тераватт в импульсном, обострили вникание к проблеме повышения лучезой стойкости к долговечности элементов проходной оптики широкоапертурних лазерных систем большой мощности.

Анализ литературнь-х данных свидетельствует о том, что наиболее перспективными по совокупности оптических, теплофизических и механических свойств на сегодня материалами для элементов проходной оптики яйляются монокристаллы KCl и кп$е •

Больная часть опубликованиях результатов исследований оптической стойкости этих кристаллов полнена при воздействии сфокусированного излучения. Данные, полученные при больших апертурах облучения и результаты исследования размерного еффекта при оптическом разрушения 'имеют рзсброс з один-два порядка. Характеризуя оптическую стойкость материалов, исследователи з-ччаету» не приводят всего того комплекса данных, которые позволяют однозначно её трактовать или сравнивать: качество материала, его основные характеристики, степень однородности, способ оптической обработки, сановные характеристики и качество лазерного излучения. Используются разные критерии разрушения и прогнозирования долговечности оптических элементов.

Цель и задачи работа. Целью настоящей работы била разработка способов повышения оптической стойкости и долгозечьости элементов широкоапертурной проходной оптики и создание оптического окна ввода-вывода излучения (ОВВЮ мощного иирокоапертурного TEA СОз - лазера.

Дня достижения поставленной цели потребовалось провести:

- экспериментальное исследование процессов и закономерностей разрушения кристаллов VCl,JfaC£, üaPg и ЗлЬ'й широкоапертур-нкм излучением импульсных и импульсно-периодических СО^-лазеров;

- экспериментальное сследованио влияния термо^еханической и Лазерной обработки оптических элементов на их оптическую, стойкость и долговечность, определение оптимальных режимов обработки материалов;

- разработку конструкционных способов позшиения оптической стойкости к долговечности оптических элементов и выбор оптимальной конструкции для создания окна ввода-вывода излучения на основе этих способов.

Научной новизной работы является:

- систеь'.-тизация видов повреждений, возникающих в кристаллах КСl,JíáC¿, BaPg и под действием широкоапертурного импульсного и импульсно-периодического излучения СО2 - лазеров;

- изучение размерной зависимости порогов лазерного пробоя широкоапертурным излучением при пятнах облучения площадью до 600 ct-¡2 и влияния-длительности импульса излучения в диапазоне .от Ю"9 до 10^ с на оптическую стойкость ИК-материалов;

- данные o влиянии термомеханической обработки на оптическую стойкость к коэффициент поглощения кристаллов KCl и JfaCtí ;

- определение условий лазерной обработки (тренировки) оптических элементов на основе кристаллов KCl и JfoCi на их долговечность и-оптическую стойкость;

- выяснение влияния конструкционных особенностей OBíffl "на оптическую стойкость и долговечность элементов окна.

Практическая значимость работы.

Анализ результатов исследования оптической стойкости крис-талдов KCl, М Ci, Ba.Fg 'n2o£e позволил обосновать критерий повреждения и определить пороги лазерного пробоя оптических элементов широкоапертурным излучением импульсного и импульсно-периоди-ческого COg - лазера.

Предложены способы лазерной обработки поверхности оптических элементов, повышающей их долговечность и оптическую стойкост и термомвханичсской обработки кристаллов KCl и JfäCß. ~ одноосной • высокотемпературной деформации монокристаллов, повышающей их механические характеристики и оптическую стойкость.

Разработана и экспериментально оптимизирована конструкция • . сегментированного OHBíi.

Предложены способы экранирования и защиты оптических алет тов и снижения неравномерности подводимого к ним излучения.

■ Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

- результаты экспериментальных исследований стойкости монокристаллов KCl, täZi , BaFn и и морфологии их повреждений

- результаты исследования размерного эффекта при апертуре излучения до 29 см (± 600 см^) и влияния длительности импульсов лазерного излучения в интервале от 1,2 не до' —I с на пороги прсбоя Ж-материалов;

- режим термомеханическоЯ обработка и данные по .оптической стойкости упрочненных кристаллов KCl и „VC?£2 !

- режим лазерной, обработки и данные спектрометрических исследований лазерной плазмы, возникающей при импульсном облучении оптических элементов;

- результаты расчетов « экспериментальных исследований по оптимизации конструкции окна ввода-вывода лазерного излучен:«;

- экспериментальное данные л результаты расчетов по. разработке способов улучшения равномерности распределения энергии в _* сечении лазерного излучения, подводимого к оптическим элементам;

- данные по исследосачию центров окраски, образующихся б кристаллах JfixCZ под действием импульсного лазерного излучения.

Апробация расот,-)! и публикации. Отдельные вопроси диссертации докладывались на заседании HIC F0Z (г. Ленинград, 1987), фёдоровской сессии, ЛГИ (Ленинград, 1990), заседаниях НТС НПО "Астрофизика" (Владимир, 1937-1993), каучньх семинарах кашодры кристаллографии ШСиС (Москва, 1989-1391).

Гю материалам ъиезертации опубликовано двое тезксоа докладов, шесть научно-технических, отчетов, получено пять ачторгких свидетельств и одно положительное, решение по заявкам на изобретение.

05'ьд.м и структура диссертанта. Диссертация состоит из введения, четырех глап, раздела с кратким изложением основных результатов и выводов, библиографии и приложения. Её объем составляет 78 страниц машинописного текста (без оглавления, рисунков, таблиц, библиографии к приложения), 70 рисунков, 20 таблиц и список цитируемой литературы из 140 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние проблемы создания оптических узлов мощных импульсных СОр - лазеров, оптической стойкости материалов проходкой ИК-оптики, технологические способы улучшения характеристик КК-материалов и конструкционные методы повышения стойкости оптических узлов к воздействию импульсного лазерного излучения изложено на основе краткого обзора литературы.

Импульсное воздействие лазерного излучения, характеризующееся высокой плотностью мощности 10б - 10^® Вт/см^ и коротким временем воздействия ■ 10"^ - 10"^ с, предъявляет к материалам элементов проходной оптики высокомощных СО^ - лазеров определенные требования, основными из которых являются низкий коэффициент объёмного поглощения и низкий показатель преломления на волне '10,6 мкм, высокая теплоемкость и теплопроводность, высокие механические свойства и ряд других.

К настоящему времени определился ряд ионных и полупроводниковых кристаллов, наиболее полно удовлетворяющих этим требованиям, ето, в первую очередь, кристаллы КС1 и ЗлВе. .

Интенсивные исследования лазерного разрушения ПК-материалов импульсным излучением позволили получить ряд практических результатов, наиболее существенными из которых являются установление различия между порогами разрушения объёма и поверхности и зависи- • мости их от способа оптической обработки материала, обнаружение размерного эффекта - уменьшения порога разрушения материала с увеличением размера пятна облучения и обнаружение эффекта накопления, а также предложить ряд механизмов разрушения и классифицировать их на две больлие группы - "собственные" и "несобственные".

Механизм разрушения реальных ИК-материалов связан с сильным разогревом лазерным излучением присутствующих в материале неодно-родносгей, который'может сопровождаться фазовыми переходами как внутри неоднородности, так и в кристалле вблизи неё, а также воз-.ннкнове^ием термоупругих напряжений в окружающем объеме. Концентрация п глощащих неоднородностей в оптических, материалах достигает г*Ю®> Ю9 в их состав, например, в ЩГК, входит ряд металлов Мо, Со, Ва, Са,(л, Рв, Ре, Си,№ ,7] , V и металлоидов^', Р, £ , <2е и других, кроме того, важнейшими источниками дополнительного поглощения являются молекулярно-ионные кислородсодержащие примеси типа М0~2% НС0~д, £0 4, Сг £!

и др. Это приводит к тому, что пороги лазерного пробоя, соответствующие "собственным" механизмам разрушения ~ 10 - 10^ Вт/см? наблюдаются при облучении малых и супермалых объемов материала £ 10"10 - Ю"9 см3.

Поэтому можно сделать вывод о том, что увеличения оптической стойкости ПК-материалов можно добиться снижением концентрации примесей в кристаллах на стадии их выращивания.

. Один из способов выращивания монокристаллов KCl во вращающемся наклонном тигле - метод направленной кристаллизации з атмосфере фосгена при дазлении 0,1 - I атц из расплава, сырьем которому служит порошок KCl ОСЧ-5-4 ТУ 6-09-3678-74, предварительно прогретый в динамическом вакууме ~ 10~3 Topp при температуре 650-700°С, позволяет получать заготовки 0 45 х 100 мм^, в которых примесей V , Мп, J/i, Со, Сл. не обнаружено, содержание Fe составляет I0"3 - Ю-4 весовых 5», а Си.Тг и Рв * Ю"5 весовых %. Поглощение на волне 10,6 мкм таких кристаллов не превышает & ~ • СО,9-2).Ю*4 см"1.

Добавление в:шихту !{& С1 0,05-0,5 весовых % 5:0, позволяет благодаря химическим реакциям с гидратами окислов примосных ме- . таллов и выпадению в.осадок продуктов реакций понизить коэффициент поглощения в 1,2-1,5 раза и на порядок увеличить порог лазерного пробоя в малом пятне.

Комплексные исследования разрушения поверхности излучением импульсного С0£-лазера показали, что определенную роль в возник-' новении лазерного пробоя играет адсорбированная на поверхности оптических элементов вода и газы из окружающей атмосферы. На основе предложенного механизма, включающего три основные стадии: вскипание адсорбированной вода, газодинамическое расширение пара', пробой в парах вода - объяснен и предсказан ряд закономерностей, а также обоснован "эффект лазерной очистки", заключающийся в повышении порога пробоя поверхности в режиме многократного облуче-: ния при повторном воздействии излучения допороговой интенсивности в одно и тоже место. Однако, технологических приемов для использования этого эффекта разработано не было. Кроме тс^о, более поздними исследованиями установлено, что в образовании повреждений поверхности можно выделить два этапа: инициирование плазмы пробоя и растрескивание поверхности при нагреве её УФ-излучением плазмы. Это требует согласования предложенных механизмов повреж-

дения поверхности лазерным излучением.

Из сказанного следует необходимость разработки способа обработки поверхности оптических элементов, снижающего количество адсорбентов и, тем самым, повышающего лучевую стойкость ИК-материалов.

Для улучшения механических сзойств ЩГК используется метод получения мелкозернистых поликристаллических материалов, основанный на деформации и рекристаллизации монокристаллов. Имеются сведения о тем, что предел текучести деформационно-улроченных кристаллов может быть узеличзн в 5-15 раз по сравнению с монокристаллами, однако, данные об оптической стойкости упрочненных ЩГК противоречивы и отрывочны, зачастую не приводятся сведения об их связи с полученными параметрами и технологическими режимами упрочнения.

Помимо технологических способов улучшения технических характеристик оптических узлоз мощных импульсных СС^-лазеров существует ряд конструкционных методов обеспечения работоспособности элементов проходной лазерной оптики, позволяющих снизить влияние внешних воздействий (пыли, влаги, продуктов лазерного воздействия и т.п.), а также факторов риска (неравномерность нагрева оптического элемента, распределение энергии в сечении лазерного пучка и др.).

' Выбор тех или иных методов определяется конкретными условиями эксплуатации оптических элементов и параметрами лазерного излучения.

Таким образом, анализ литературных данных показывает, что такие узловые вопросы оптической стойкости реальных ИК-материа-лов, как влияние структурного состояния материала, длительности импульса излучения, зависимость от величины коэффициента поглощения в настоящее.время не решены. Это позволило сформулировать основные задачи настоящей работы.

. При проведении исследований использовались TEA СС^-лазеры с длительностями импульсов —Г и 40 мке, способные работать в импульсном и импульсно-периодическом режимах,- импульсный. СО^ -лазер на горении взрывчатых веществ в сверхзвуковой струе воздуха с длительность» импульса 0,5- 1 с и неодимовый лазер о длительностями импульса 5 мке и 1,5 мс и длиной волны 1,06 мкм.

Площадь поперечного сечения лазерного излучения с длиной

волны 10,6 мкм и распределение энергии определялись по ожогам на калиброванной фотобумаге, позволяющей различать'следующие градации плотности энергии: й 0,5 Дж/см^; 0,5-1,4 Дж/см2; 1,4-2,7 Дж/см2; 2,7-5,6 Дж/см2; 5,6-12 Дж/см2; 12-20 Дж/см2;

>20 Дж/см2.

Энергия в импульсе измерялась проходными решетчатыми болометрами, изготовленными из никелевого провода 0 0,08 мм. Погрешность измерения одним болометром не превышала 20 %..

Форма импульса определялась с помощью фотоприемников ОСГ-2-23, охлаждаемых жидким азотом, и осциллографов С9-8. Погрешность измерения длительности импульса по уровню 0,5 не превыша-' ла 15 ?<.

Методики измерения параметров лазерного излучения аттестованы, а измерительные средства являются стандартизованными.

Отличительной особенностью излучения TEA СО^-лазеров является наличие резкого переднего фронта и ярко выраженного "лидера? в котором содержится от 30 до 80% энергии импульса. Длительность переднего фронта I-микросекундного импульса составляет 100-200 не, а 40-минросекундного - 400-1000 не.

Импульсы COg-лазера на горении взрывчатых веществ, напротив, имеют затянутый-передний фронт (до 70-9056 от длительности импульса) с небольшим пучком и резкий задний фронт, обусловленный прогоранием взрывчатого вещества.

. Импульсы неодимого лазера имеют гладкую колоколообразную форму без резко выраженных фронтов ^лидеров".

Распределение энергии э сечении излучения неюдимого лазера близко к гауссовому, СО^-лазера на горении взрывчатых веществ -имеет кольцевую форму.

Наиболее сложную, случайную и меняющуюся от импульса к импульсу форму распределения энергии в сечении луча имеет излучение широкоапертурннх TEA COg-лазеров. Исследования распределения, энергии показали, что в сечении луча имеются области с плотностью энергии от 0,5-1,4 Дж/см2 до 20 Дж/см2 и более.

Одним из путей снижения неравномерности распределения энергии в сечении лазерного излучения является применение растровых зеркальных систем. Поэтому для исследований стойкости ИК-материа-лов к воздействию излучения широкоапертурннх TEA С02-лазеров был создан испытательный стенд, включающий лазер, растровую зеркаль-

ную систему с радиусными либо плоскими зеркалами, набор проходных решетчатых болометров, фотоприемник, вакуумную камеру для крепления и нагрукения разность» давлений испытуемых оптических элементов, регистрационные фотокамеры для регистрации плазменных образований на оптических элементах, высокоскоростные фотокамеры для боторегис;рации динамики развития плазменных образований, спектрографы СТЭ-1 для регистрации спектроз свечения плазменных образований, диффузнорассеиваюций экран. Применение наборов из 2 или 3 болометров позволило снизить погрешность измерений энергии лазерного излучения до 12-15%, а сличение показаний болометров с образцовыми средствами измерений через каждые 10-15 импульсов, позволило довести её до 10-129°.

Стенд для исследований стойкости ИК-катериалов к воздействие излучения С02~лазера на горении взрывчатых веществ представлял собой лазер с установленным на нем в качестве выходного окна испытуемого оптического элемента и средства измерения параметров лазерного излучения: клин-ответвитель лазерного излучения, фокусирующую линзу, болометрический измеритель мощности, калориметр и фотоприемник. Погрешности измерений не превышали 10%. Для контроля температуры оптического элемента к его торцам крепились термопары.

Стенд для исследования стойкости монокристаллов KCl и JßCi к воздействии сфокусированного излучения с Д= 1,06 мкм был собран из лазера Г0С-Ю01, средств измерения параметров лазерного излучения: клин-ответвитель, светофильтр, измеритель энергии. ИМ0-2Н и фотодиодный фотоприемник. Излучение фокусировалось на образцы линзой из стекла К-8 с фокусным расстоянием 613 мм в пятно диаметром. ~0,8 см.

Оптические элементы изготавливались из монокристаллов KCl, выращенных в реактивной атмосфере CCI^ с ß ~ (1,5-4).Ю-4 см""*, монокристаллов Уа С2, выращенных методом Киропулоса на воздухе, с ß = (1-3). 10"^ см"*, монокристаллов ZsiStvi Ва?2, выращенных методом направленной кристаллизации из стехиометрического расплава . с =(4-8).10"^ см"* и 0,15-0,18 см"* соответственно. При этом элементы на основе ЩГК изготавливались методом безабра'зивной шлифовки на воде с финишной суперполировкой на микропорошке АСМ I/O и травлением в концентрированной HCl, элементы на основе SLnSc и BaFg - методом глубокой шлифовки - полировки с последовательным уменьшением зерна абразива шлифпорошков.

Исследование и систематизация видов повреждений, возникающих в материалах Ж-оптики под действием лазерного излучения, позволила выявить зависимость характера разрушения лазерной оптики от параметров лазерного излучения (длительности импульса, вида - импульсное, импульсно-периодическое, непрерывное) и технологии обработки оптических элементов (дефйр/.ационное упрочнение, лазерная очистка).

. Установлено, что воздействие импульсного лазерного излучения с длительностями г--пульса 1,0 >/хс-1,5 мс приводит к образо-занич сотки -мелких трещин на поверхности оптических элементов и кикропор, тредин и каверн з объеме. При это:,: в ЩГК трецяны на поверхности ориентированы пэ плоскостям спайности, в монокристаллах Ва?2. - ориентированы в соответствии с ориентировкой блоков," выходящих на поверхность оптического элемента, . э inSé трецины разориентированы друг относительно друга на 120° и 90°, а в результате выкрашивания материала с поверхности образуются хаотично расположенные кратеры и каверны. Зеличикы плотности энергии в импульсе, при которых происходило повреждение поверхности, имели значительный разброс и, в частности, для излучения с Г= (1,0 - ■ - 0,2) мке составляли: для монокристаллов KCI - 1-7 Дж/; jfaU• ~ 1-9 Дж/см2; EaF2~6-I2 Дж/см2; 5л5г-0,5-6 Дч/см2. Статистическая обработка данных 225 экспериментов по определения порогов, повреэдения поверхности позволила установить, что порог пробоя поверхности оптических элементов из монокристаллов KCI составляет (4,2 ± 0,4) Дж/см2; MU - (4,8 ± 0,5) Дж/см2; Ва?2 - (10 i I) Дж/сг.Г; ln S¿ - (2,3 1 0,2) Дж/см2.

Фоторегистрация плазменных образований, сопоставление наблюдений состояния поверхности оптических элементов к спектров свечения плазменных образований свидетельствует о том, что повреждение поверхности является следствием приповерхностного пробоя и образования плазмы. Наиболее интенсивными являются линии излучения атомов материала оптического элемента, а также линия Н^ (656;28 нм), присутствующая во всех спектрах, причем интенсивность последней снижается при последовательном воздействии серии одинаковых по величине плотности энергии импульсоэ лазерного излучения.

Присутствие линии Ц^ указывает на справедливость механизма возникновения пробоя, согласно которому определяющую роль играет

адсорбированная на поверхности вода. Растрескивание же поверхности оптических элементов может быть вызвано как УФ-излучением плазмы пробоя, так и термоударом в результате непосредственного контакта плазмы с поверхностью (измерение яркостной температуры показали, что плазменные образования имеют температуру(5 -- 20).10 К ).

Объемные повреждения в монокристаллах KCl, jVaCt к BaFg представляют собой сферические поры диаметром от 10-25 мкм в BaFg до 20-80 мкм в KCl; в монокристаллах объемные повреждения

Представляют собой поры размером 1-40 мкм, имеющие огранку, а также каверны произвольной формы с характерными размерами 0,30,7 мм. Инициаторами образования объемных повревдений являются взрывающиеся под действием интенсивного лазерного излучения поглощающие неоднородности, пороги их образования ш(ет значительный разброс: от 1,5-6 Дж/сы2 для sin Sc. до 10-22 Дж/см2 для BaPj). Статистическая обработка данных показала, что наиболее низким порогом повреждения объема обладают монокристаллы 3s>Se, со-стьвлягациы для излучения с мхе (2,5 - 0,5) Дж/см2, а нйибо-. лее высоким - BaFg --(14 - 2) Дж/см2, монокристаллы KCl и Midi имеют (6,0 * 0,6) .Пж/см2 и (7,0 - 0,6) Дж/см2 соответственно.

Интересной особенностью взаимодействия кристаллов с импульсным лазерным излучением явилось окрашивание стенок трещин, иници- ' аторами образования которых были микровэрывы поглощающих неодно-родностей. При эгом окрашивание наблюдалось только в центральной области трепаны (0 1-3 мм). Высокоскоростная фоторегистрация микровзрывов показала, что неоднородности взрываются за время действия .¡ереднего фронта импульса лазерного излучения I мке) и продолжают интенсивно светиться в течение 20-30 мке (при Т -6-10 мке).

Оценка температуры плазменного образования показала, что при воздействии излучения с плотностью энергии 20 Дж/см2 на частицу Si 0 I мкм, она может достигать 10^ К и более, это указывает на* то, что максимум интенсивности излучения приходится на границу рентгеновского и УФ-диапазонов.

Спекгрофотометрические исследования спектров поглощения окрашенных стенок трепаны свидетельствуют об образовании F -, Rj-, R^-, М - центров окраски и коллоидных частиц(КЧ) металла.

Получе -ные данные позволили предложить следующую качествен-ну» модель образования центров окраски.

Сопоставление данных мнкроструктурних исслпдоплпий с результатами исследований оптического качестгл дефюрмационно-упрочнен-ных ЩГК и их стойкостью к воздействию импульсного лазерного из-лучг>«ия показало, что образование крупнозернистой структуры сопровождается резким увеличением коэффициента поглощения на волне 10,Ь мкм и снижением порога пробоя при увеличении температуры и степени деформации сшше 300-350°С и 25-405™ соответственно.

Таким образом, был найден оптимальный режим деформационного упрочнения ЩГК: одноосная деформация вдоль направления <г 100? со скоростью 0,07-0,15 мм/мин при температуре 200-000°С до степени 5-20%. При этом образуется наиболее однородная мелкозернистая структура с размером зерна 3-15 мкм и значительно улучшаются механические характеристики ЩГК (предел прочности на разрыв увеличивается в 5-7 раз), а порог повреждения импульсным лазерным излучением остается таким же, как и у монокристаллов.

Улучшение механических свойств ЩГК позволило уменьшить толщину оптических элементов в 2 и более раз при той же апертуре, за счет чего оказалось возможным повысить пороговое значение энергии в импульсе лазерного излучения, пропускаемого оптическим элементом. Расчеты показывают, что при апертуре 10 см увеличение Еп составляет 109», а при 29 см - более 40%, т.е. оптические элементы, изготовленные из деформационно-упрочненных кристаллов КС1 способны пропускать излучение с мке при апертуре 29 см с энергией в импульсе до 5 кДж, в то время как элементы из монокристаллических - менее 3,5 кДж. ■

На основе исследования стойкости поверхности оптических элементов к воздействию импульсного лазерного излучения разработан способ лазерной обработки оптических элементов широкоапертур-ным лазерным излучением, основанный на эффекте лазерной очистди поверхности. Спектрометрические исследования свидетельствуют об определяющем влиянии адсорбированной на поверхности оптических элементов воды на процесс возникновения лазерного пробоя, вызывающего повреждение поверхности. Облучение не менее, чем 5 импульсами лазерного излучения с Т= 40 мке с последовательным увеличением V/ от нз более 0,5 в первом до 1,5-2 Дж/см^ в последнем импульсах, позволяет повысить порог пробоя поверхности в 1,1-1,3 раза. Помимо увеличения порога пробоя, лазерная обработка позволяет значительно снизить вероятность повреждения при до-порогоЕой интенсивности излучения и в 3-10 раз повысить срок

службы оптических элементов.

Проведенные исследования оптической стойкости ИК-материалов показали, что при разработке и создании оптических узлов широкоапертурннх мощных TEA СС^-лазеров необходимо1решать задачи, связанные с компенсацией влияния размерного эффекта и улучшением равномерности лазерного излучения, подводимого к оптическим элементам.

Наиболее успелшо решать противоречивую задачу, связанную с необходимостью увеличения апертуры лазерной оптики и снижением при этом допустимой удельной лучевой нагрузки (размерный эффект), позволило сегментированное окно. Оптимизация конструкции окна для апертуры кзадрашого сечсния 190 мы и 290 мм показала, что наиболее высокими эксплуатационными параметрами при воздействии импульсного и импульсно-периодического излучения с Т- 1-40 мке будут обладать четырех- и девятиэлеыентные соответственно окна с оптическими элементами размером ICO х 100 х 16 мм, изготовленными из KCl и XttCJL . При этом форму отражающей поверхности защитной апертурной диафрагмы необходимо изготовить в виде вогнутого цилиндра радиусом 200-300 им, чтобы исключить повревдения оптических элементов затекающей под диафрагму лазерной плазмой пробоя.

Для повышения долговечности оптических элементов разработаны: способ экранирования поврежденных участков оптического элемента защитными экранам", с использованием растровой зеркальной системы для компенсации ухудшения равномерности излучения; способ улучшения равномерности излучения за счет выгорания "горячих точек" излучения на защитных пластинках из ЩГК; устройство для испытания объектов мощным импульсным лазерным излучением, в котором входное окно выполнено в виде собирающей линзы, а излучение к нему подводится с помощью расфокусирующей растровой-зеркальной системы, излучение на объекте формируется второй растровой системой, расположенной по ходу излучения после входного окна. Такое построение оптической схемы позволяет снизить плотность энергии излучения в "горячих точках" за счет расфокусировки, а также значительно улучшить распределение энергии в плоскости входного окна. Экспериментальная проверка расчетных соотношений дала совпадение результатов с точностью IS6.

ОСНОВНОЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВИБОДЫ

В работе проведены экспериментальные исследования по созданию широкоапертурного окна мощного СО^-лазера для следующих режимов:

а) импульсного с Т - I - 40 мке;

б) импульсно-перкодического с Т= 40 мке;

в) при нагружении разностью давлений кГ/см^ и без него

и разработаны технологические и конструкционные методы по- _

вышения стойкости и долговечности элементов силовой ИК-оптики.

1. Экспериментально определены значения порогов лазерного пробоя поверхности и объема монокристаллов КС1, ЛаСИ, ВаР^ и 5л <5г толщиной 8-100 мм импульсным и импульсно-периодкчсским лазерным излучением с Т= I; 40 мке и 0,5-^1 с при пятнах облучения

с/= 1,5-29 см и установлено существование размерной зависимости порогов пробоя при с/ до 29 см, а также зависимости \л/п от толщины оптических элементов.

2. Предложена в качестве критерия оптической стойкости КК-материалов экспериментально определяемая величина Еп-- пороговое значение пропускаемой оптическим элементом энергии в импульсе лазерного излучения при вероятности повреждения его объема равной 0,5.

На основе этого критерия установлено, что для импульсного облучения при апертуре оптического элемента до 18 см наиболее предпочтительным материалом является монокр.:сталлический Вар£, а при большей апертуре - • '

3. Установлено, что разрушение оптических элементов под действием импульсно-периодического излучения с Т = (40. - 6) мке,

Р 100 Гц и с допороговой интенсивности происходит в ре-

зультате накопления термоиндуцированных напряжений, поэтому предпочтительными материалами для окон импульсно-периодическкх СО^-лазеров являются монокристаллы КС1 и , обладающие низким коэффициентом поглощения при высоких порогах пробоя.. Качество обработки поверхности.и нагружение разностью давлений влияет на величину порога пробоя импульсно-периодическим излучением.

4. Установлено, что оптические элементы, изготовленные из упрочненных ЩГК, способны пропускать большие потоки импульсного излучения с Т- 1-40 мке, за счет улучшения механических характе-

ристик материала, позволяющего уменьшить их толщину. Оптимальным режимом упрочнения ЩГК является одноосная деформация при Т = 200--300°С до 2= 5-20^ со скоростью 0,07-0,15 ммЛиш, приводящая к образованию мелкозернистой структуры с размером зерен 3-15 мкм.

Показано, что уже при с/ = 10 см за счет снижения толщины оптических элементов величина порогового значения энергии, пропускаемой оптическим элементом, увеличивается более, чем на 1094, а при с/ = 29 см - в 1,4 раза.

5. Исследовано влияние режима лазерного облучения на порог пробоя пог^рхности и долговечность оптических элементов и разработан способ лазерной обработки ("тренировки") оптических элементов, заключающийся в облучении не менее, чем пятью импульсами лазерного излучения с последовательным повышением плотности энергии от не более 0,5 Дж/см~ в первом до 1,5-2 Дк/см^ в последнем. Лазерная обработка повышает срок службы оптических элементов под действием импульсно-периодкческого излучения с V- 2-4 Дж/см^,

Т= 40 мкс к "¡^2-10 с не менее, чем в 3-10 раз.

6. Разработано и оптимизировано по апертуре лазерного излучения, апер.туре и толщине оптических элементов (с учетом размерного эффекта) и конструкционным особенностям, влияющим на характер плазмообразования, окно для ввода-вывода импульсного и импуль-сно-периодичзского лазерного излучения с Т= 1-40 мкс, представляющее собой сегментированное лазерное окно с оптическими элементами, изготовленными из монокристаллов ЖаС1_

- для апертуры излучения 190 мм четырехэлементное с оптическими слзментами размером 100 х 100 х 15 мм, пропускающее в импульсном режиме облучения с- Т^ I мкс излучение с энергией до

2,3 кДж; с "£"=40 мкс - до 3 кДж, в импульсно-перодическом режиме с Т=40 мкс - до 2,2 КД* при вероятности повреждения еломен-тов 0,5;

- для апертуры излучения 290 мм девятиэлементное окно, пропускающее 5,1 кДж; 6,8 кДж и 5,0 кДж при соответствующих режимах облучения.

7. Разработаны способы повышения равномерности распределения энергии в сечении лазерного излучения, подводимого к оптическим элементам, установкой защитных пластин и применением растровых зеркальных систем, что позволило увеличить срок службы оптических элементов в 1,5-10 раз.

8. Установлено, что механизм разрушения ИК-материалов в результате пробоя на поглощающих неоднородностях является доминирующим для излучения с Z^ICf2 - с, что определяет границы применимости разработанных конструкционных способов повышения оптической стойкости элементов, а также границы применимости известных методик повышения стойкости оптических элементов к воздействию непрерывного излучения (химическое и ионное полирование, деформационное упрочнение, легирование и др.).

9. Систематизированы данные по видам повреждений, возникающих в кристаллах, и порогам их образования. Обнаружено появление F-, Рп-центров окраски и коллоидов на.стенках трещин, образующихся в результате микровзрывов поглощающих неоднородностей в объеме кристаллов .

Предложен механизм образования центров окраски при фотохимических реакциях, происходящих под действием излучения плазменных образований, оценка температуры которых свидетельствует о достижении ими более 10^ К.

Осноеныэ результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. А.А.Блистанов, О.М.Кугаенко, С.Г.Казанцев и др. Влияние термомеханической обработки на лучевую стойкость и оптическое качество !ДГК/ Тез.докл. Федровской сессии. Ленинград,21-24 мая 1990 г.- Л.1990.-С.12.

2. Отчет "Анализ качества щелочногалоидных крирталлов как материала для элементов ИК-оптики" /МИСиС; "ук.А.А.Блистанов.-У03733; инв.Р Е50752.-М.,1985,ДСП.-94 с.

3. Отчет "Испытание силовой ИК-оптики мощным лазерным излучением"/ ОКБ "Радуга"; С.Г.Казанцев, В.Л.Сергеев, О.М.Зудин и*др.-инв.К? 84/6027.- Владимир, 1990.-27 с.

4. Отчет "Исследование стойкости материалов ИК-оптики к воздействию широкоапертурного лазерного излучения"/ С.Г.Казанцев.-инв.Р 5153.- Владимир, 1991.- 229 с.

5. A.c. 285889 СССР, МНИ2 СЗО'В 33/00. Способ обработки оптических элементов на основе щелочно-галоидных кристаллов/ А.А.Блистанов, С.Г.Казанцев, О.М.Кутаанко, В.Л..Сергаав (СССР) 3192798; Заявлено 22.02.88.-14 с; ИЛ.

6. A.C. 295906 СССР, МКИ2 Н Ol £ 3/02. Оптический лазерный узел/ А.А.Блистанов, С.Г.Казанцев, О.М.Кугаенко, В.Л.Сергеев (СССР).-3207278; Заявлено 16.08.88- Пс; ИЛ.

. 7. A.c. 297555 СССР, МКИ2 Q 01 И 11/00. Устройство для испытания объекта мощным импульсным лазерным излучением/ С.Р.Казанцев, В.Л.Сергеев (СССР).-3206907; Заявлено 16.08.83.-10с;ИЛ.

8. A.c. 316878 СССР МКИ2 H0I5 3/00. Устройство залиты от мацного импульсного лазерного излучения/ А.А.Влисанов, С.Г.Казанцев, О.М.Кугаенко, В.Л.Сергеев (CCCP).-45II29I; Заявлено 24.03.85. - 9 е.; ИЛ.

9. Казанцев С.Г.,Елистратов А.Н. Устройство для испытания объектов мощным лазерным излучением. 4519382. МКИ2 H0I ¿*3/00; £01 М П/ОО^СРИ 300 Ш.- 1990.- Серия 4.-Р 2 (63).

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

Ленинский проспеит, д. 4 Заказ i Объем Тираж

Типография МИСиС, Орджоникидзе 8,9