Исследование лучевой прочности оптических материалов

Исследование лучевой прочности оптических материалов

Содержание

Введение:. 2

Теоретическая часть:. 3

Стандарт измерения порога лазерного разрушения ISO 21254:. 5

Методы исследования лучевой прочности оптических покрытий:. 5

Наиболее популярные лазеры для определения порога разрушения:. 8

Наносекундное-фемтосекундное лазерное разрушение диэлектриков:. 10

Примеры стендов контроля лучевой прочности оптических элементов:. 11

Возможности повышения оптической прочности кристаллов и оптических элементов:. 16

Заключение:. 19

Список использованных источников:. 20

 

Введение:

С появлением все более мощных лазеров возникает потребность в оптических материалах с большей лучевой прочностью, т.к. оптические элементы этих самых лазеров (покрытия линз, отражающие покрытия зеркал) должны выдерживать воздействие лазерного излучения той или иной плотности. Повреждение лазером линз, зеркал и пр. может нарушить или полностью уничтожить работу мощных лазерных систем. Этого можно избежать путем использования оптики с достаточно высоким порогом повреждения, вызванного лазером. Самые слабые части оптики только начинают отказывать, когда их подвергают воздействию лазера на уровне порога разрушения. Поэтому исследование лучевой прочности оптических материалов до их установки в лазерную систему является особенно актуальным процессом в разработке новых лазерных систем на сегодняшний день. Выявление физических причин светового разрушения широкозонных диэлектриков и зависимости лучевой прочности различных оптических материалов от их структуры,а также таких параметров, как длина волны используемого излучения, длительность импульсов, размеры светового пучка, периодичность и полное время воздействия импульсного излучения также вызывают стабильный интерес в условиях постоянного роста требований к уровнюудельной выходной мощности и ресурсу работы современных лазерных систем.

Проблема получения покрытий с высокой лучевой прочностью является актуальной задачей современного оптического приборостроения, поскольку разрушение оптических элементов под действием собственного излучения 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.).

Целью данной работы является ознакомление с методиками исследования лучевой прочности, а также с процессами, которые происходят в оптических материалах при их деградации или разрушении.

Задачи, с помощью которых будет достигаться цель: изучение основных определений; обзор существующих методов исследования лучевой прочности; ознакомление со стендом контроля лучевой прочности и его принципом работы; изучение физики процессов.

 

Теоретическая часть:

Лучевая прочность (ЛП) - способность среды или элемента силовой оптики сопротивляться необратимому изменению оптических параметров и сохранять свою целостность при воздействии мощного оптического излучения. Лучевую прочность при многократном воздействии часто называют лучевой стойкостью.

Для определения лучевой прочности существуют различные методы, которые можно принципиально разделить на две группы. Первая группа рассматривает лучевую прочность как пороговую величину, при которой на исследуемых образцах образуются пробои, а вторая группа использует вероятностный подход.

За величину порога разрушения образца (1) принимается плотность энергии, равная среднему значению между максимальной величиной , при которой разрушение поверхности еще не наблюдается, и минимальной величиной , при которой уже появляются микродефекты.

(1)

Существуют физический и технический пороги разрушения материала. При определении физического порога повреждения фиксируется такая плотность энергии лазерного излучения, после воздействия которой происходит необратимое изменение важных оптических свойств и параметров исследуемого образца. Технический же порог разрушения характеризуется такой плотностью энергии лазерного излучения, при которой нарушаются работоспособность, быстродействие, долговечность изделий, в основе которых находится исследуемый материал.

Пробоем оптического покрытия (ОП) называют явление превращения прозрачной среды в поглощающую среду под воздействием лазерного излучения. Пробой ОП может быть собственным и несобственным. Собственный пробой формируется в самой матрице и не связан с повреждениями, находящимися в материале. Такие повреждения называются поглощающими неоднородностями (ПН). Данный пробой образуется при использовании мощных лазерных систем, поэтому появляется необходимость исключения влияния на развитие пробоя ПН.

Наиболее часто ЛП реальных материалов характеризуется образованием в результате нагрева ПН несобственного пробоя, что ведет к разрушению материала. Такой пробой характеризуется появлением расплавлений, изменением размеров области поглощения вблизи ПН, возникновением напряжений. Присутствующие в исследуемом материале ПН уменьшают порог разрушения на несколько порядков по сравнению с порогом разрушения при наличии собственного пробоя. Любое временное или постоянное изменение оптического элемента, вызванное воздействием интенсивного лазерного излучения, представляет собой повреждение лазером. Наиболее распространенным видом повреждения лазером является физическое повреждение оптических поверхностей с покрытием (например, трение, эрозия, плавление или расслоение). Часто встречаются также трещины и обесцвечивание объемного оптического материала.

Когда на оптическое покрытие падает плотность энергии, значение которой ниже порогового для данного образца, то с оптическим материалом не наблюдается никаких изменений. Но при превышении некоторой плотности энергии способствуются к появлению изменения на поверхности или в объеме образца.

При длительных импульсах небольшие дефекты или примеси в оптике преимущественно поглощают лазерное излучение. По мере нагрева примесей и расширения дефектов они могут вызывать плавление или разрыв окружающего материала. Ионизированная плазма, образовываясь еще больше, разрушает поверхность. Снижение уровня примесей и контроль дефектов изготовления поверхностей являются ключевыми стратегиями для создания высокой пороговой оптики повреждения.

  

Примеры стендов контроля лучевой прочности оптических элементов:

В состав любой базовой установки для определения лучевой прочности оптических материалов входит источник излучения (лазер), средство измерения энергии (мощности) в лазерном пучке и блок формирования эквивалентной площади воздействия на испытуемом образце. Эквивалентная площадь воздействия () - это площадь лазерного пятна с равномерным распределением плотности энергии, равным максимальной плотности энергии в реальном пятне и содержащем такую же энергию. Как правило, при Гауссовом распределении  измеряют по уровню половины максимальной интенсивности излучения. Эквивалентная площадь воздействия может быть определена из пространственного распределения энергии излучения на испытуемом образце.

Существует много различных стендов, они могут отличаться источниками излучения, методиками измерения, системами позиционирования образца, системами наблюдения за разрушением оптического материала, степенью автоматизации и т.д.

1) Первый стенд предназначен для исследования порога лазерного разрушения различных прозрачных материалов с многослойными покрытиями в соответствии с методиками выполнения измерений S - на - 1 и R - на - 1.

Блок-схема обобщенной установки для измерения порога лазерного разрушения показана на рисунке 3.

Рисунок 3 - Блок-схема стандартной установки для измерения лучевой стойкости.

Выходное излучение из лазерной системы проходит через блок аттенюаторов и волновую пластину, которая контролирует состояние поляризации, и фокусируется специальной оптической системой фокусировки на исследуемом образце. Образец закреплён в системе позиционирования, разрешающей юстировку по пространственным и угловым координатам.

Также следует отделять часть выходного излучения при помощи светоделителя и направлять в модуль диагностики пучка, который позволяет определять его пространственные и временные характеристики, а также энергию импульса. Данный модуль должен быть оснащён необходимой аппаратурой для измерения двумерного пространственного распределения плотности энергии (импульсное излучение) или плотности мощности (непрерывное излучение). Пространственное разрешение модуля диагностики должно не превосходить 1,5 % диаметра пучка.

Факт оптического повреждения образца регистрируется в режиме реального времени системой регистрации лазерного разрушения. Для этого в системе регистрации могут использоваться любые подходящие методы, например, микроскопические, фотоакустические и фототермальные методы, а также допускается измерение уровня сигнала рассеянного излучения с использованием отдельного лазера.

2) Второй стенд создан для контроля лучевой прочности на основе Nd:YAG лазера, позволяющий работать в разных режимах: первая гармоника Nd:YAG лазера (1064 нм), вторая гармоника (532 нм), однопучковый канал, матричный канал на основе запатентованного в РФ устройства. На выходе лазера получен импульс с энергией до ≈ 0,7 Дж (статистический разброс менее 10 %) и длительностью ≈ 3 нс. При этом максимальная плотность энергии в матричном и однопучковом каналах на первой гармонике более 40 Дж/см2. Данные параметры позволяют использовать стенд контроля на лучевую прочность как для экспресс-методики определения порога разрушения оптических элементов, так и для сканирования целого образца по методике аналогичной ISO 1 - на - 1.

Обобщенная схема стенда контроля на лучевую прочность представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Обобщенная схема стенда контроля на лучевую прочность.

В задающем генераторе (ЗГ) формируется импульсы с энергией ≈ 20 мкДж, длительностью на полувысоте ≈ 25 нс, длиной волны 1064 нм, следующие с частотой до 100 Гц. Из серии импульсов ЗГ вырезается импульс определённой формы и длительности с требуемой частотой до 10 Гц.

Система вырезания импульса располагается непосредственно на выходе ЗГ, до пространственного фильтра (телескопа 1), осуществляющего согласование апертуры лазерного пучка, угловую селекцию излучения в дальней зоне (ДЗ) и формирующего гауссовый пространственный профиль пучка. Пространственные характеристики пучка после вырезания формируются диафрагмой Ø 1,5 мм, расположенной в ближней зоне и расширяющим телескопом кратностью 1:2 с нулевой селектирующей диафрагмой Ø 400 мкм, расположенной в дальней зоне. Для оптической развязки каскада усиления и ЗГ на выходе телескопа 1 установлен затвор Фарадея.

Усилительный тракт состоит из двух квантронов с активным элементом Ø 5 мм и с активным элементом Ø 10 мм, работающих в двухпроходном режиме. Такая конфигурация была выбрана по результатам исследований оптимальной схемы усиления.

Затворы Фарадея используются для оптической развязки ЗГ и усилителей. Затворы Поккельса обеспечивают отсутствие самовозбуждения в схеме усиления и формируют временной профиль усиливаемого импульса. По результатам проведенных исследований была выбрана конфигурация системы вырезания, позволяющая получить гладкую форму импульса с длительностью по полувысоте ≈ 3 - 10 нс при минимизации потерь энергии.

Через усилители Ø 5 мм проходит пучок диаметром ≈ 3 мм, затем пучок увеличивается до размера ≈ 6 - 7 мм. Усиленный лазерный пучок имеет диаметр ≈ 8 мм с распределением плотности энергии.

Используемая схема лазера позволяет получать импульс с энергией до ≈ 0,7 Дж (статистический разброс менее 10 %) и регулируемой длительностью ≈ 3 - 10 нс. При этом плотность энергии в матричном и однопучковом каналах на первой гармонике более 40 Дж/см². Данные параметры позволяют использовать стенд как для измерения порога, так и для определения вероятности разрушения оптических элементов.

3) Третий стенд представляет собой установку с наносекундной длительностью импульса излучения для исследования лучевой прочности оптических материалов и покрытий.

Обобщенная схема стенда контроля на лучевую прочность представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Обобщенная схема стенда контроля на лучевую прочность.

Установка построена по стандартной схеме, принятой для установок, действующих в наносекундном диапазоне длительностей импульса. Особенность разработки – возможность при использовании генератора малой мощности усилить энергию излучения (коэффициент усиления не менее 10 000) и сформировать на испытуемом образце эквивалентную зону воздействия с равномерным распределением плотности излучения в пятне с достаточно большими размерами – 5 × 5 мм.

В составе установки: задающий генератор, предусилитель, схемы формирования временного и пространственного профилей лазерного импульса и четырехкаскадный усилитель с выходной апертурой 45 мм. Из импульса задающего генератора длительностью 50 нс с помощью затвора Поккельса вырезали импульс длительностью 1 нс. Для исключения амплитудных и фазовых искажений волнового фронта пучка из выходного пучка диаметром 37 мм диафрагмой выделяли центральную зону диаметром 2,5 - 15 мм. Далее после ослабления излучения его фокусировали на исследуемом объекте с помощью длиннофокусной линзы. Диаметр пятна при этом составлял около 1 мм.

Заключение:

В ходе данной работы были изучены явления разрушения оптического материала, вызванные лазерным излучением, методики исследования лучевой прочности, схемы и принципы работы стендов для контроля лучевой прочности, возможности повышения лучевой прочности, а также изучены процессы, которые происходят в оптических материалах при их деградации или разрушении.

Исследование лучевой прочности оптических материалов

Содержание

Введение:. 2

Теоретическая часть:. 3

Стандарт измерения порога лазерного разрушения ISO 21254:. 5

Методы исследования лучевой прочности оптических покрытий:. 5

Наиболее популярные лазеры для определения порога разрушения:. 8

Наносекундное-фемтосекундное лазерное разрушение диэлектриков:. 10

Примеры стендов контроля лучевой прочности оптических элементов:. 11

Возможности повышения оптической прочности кристаллов и оптических элементов:. 16

Заключение:. 19

Список использованных источников:. 20

 

Введение:

С появлением все более мощных лазеров возникает потребность в оптических материалах с большей лучевой прочностью, т.к. оптические элементы этих самых лазеров (покрытия линз, отражающие покрытия зеркал) должны выдерживать воздействие лазерного излучения той или иной плотности. Повреждение лазером линз, зеркал и пр. может нарушить или полностью уничтожить работу мощных лазерных систем. Этого можно избежать путем использования оптики с достаточно высоким порогом повреждения, вызванного лазером. Самые слабые части оптики только начинают отказывать, когда их подвергают воздействию лазера на уровне порога разрушения. Поэтому исследование лучевой прочности оптических материалов до их установки в лазерную систему является особенно актуальным процессом в разработке новых лазерных систем на сегодняшний день. Выявление физических причин светового разрушения широкозонных диэлектриков и зависимости лучевой прочности различных оптических материалов от их структуры,а также таких параметров, как длина волны используемого излучения, длительность импульсов, размеры светового пучка, периодичность и полное время воздействия импульсного излучения также вызывают стабильный интерес в условиях постоянного роста требований к уровнюудельной выходной мощности и ресурсу работы современных лазерных систем.

Проблема получения покрытий с высокой лучевой прочностью является актуальной задачей современного оптического приборостроения, поскольку разрушение оптических элементов под действием собственного излучения 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.).

Целью данной работы является ознакомление с методиками исследования лучевой прочности, а также с процессами, которые происходят в оптических материалах при их деградации или разрушении.

Задачи, с помощью которых будет достигаться цель: изучение основных определений; обзор существующих методов исследования лучевой прочности; ознакомление со стендом контроля лучевой прочности и его принципом работы; изучение физики процессов.

 

Теоретическая часть:

Лучевая прочность (ЛП) - способность среды или элемента силовой оптики сопротивляться необратимому изменению оптических параметров и сохранять свою целостность при воздействии мощного оптического излучения. Лучевую прочность при многократном воздействии часто называют лучевой стойкостью.

Для определения лучевой прочности существуют различные методы, которые можно принципиально разделить на две группы. Первая группа рассматривает лучевую прочность как пороговую величину, при которой на исследуемых образцах образуются пробои, а вторая группа использует вероятностный подход.

За величину порога разрушения образца (1) принимается плотность энергии, равная среднему значению между максимальной величиной , при которой разрушение поверхности еще не наблюдается, и минимальной величиной , при которой уже появляются микродефекты.

(1)

Существуют физический и технический пороги разрушения материала. При определении физического порога повреждения фиксируется такая плотность энергии лазерного излучения, после воздействия которой происходит необратимое изменение важных оптических свойств и параметров исследуемого образца. Технический же порог разрушения характеризуется такой плотностью энергии лазерного излучения, при которой нарушаются работоспособность, быстродействие, долговечность изделий, в основе которых находится исследуемый материал.

Пробоем оптического покрытия (ОП) называют явление превращения прозрачной среды в поглощающую среду под воздействием лазерного излучения. Пробой ОП может быть собственным и несобственным. Собственный пробой формируется в самой матрице и не связан с повреждениями, находящимися в материале. Такие повреждения называются поглощающими неоднородностями (ПН). Данный пробой образуется при использовании мощных лазерных систем, поэтому появляется необходимость исключения влияния на развитие пробоя ПН.

Наиболее часто ЛП реальных материалов характеризуется образованием в результате нагрева ПН несобственного пробоя, что ведет к разрушению материала. Такой пробой характеризуется появлением расплавлений, изменением размеров области поглощения вблизи ПН, возникновением напряжений. Присутствующие в исследуемом материале ПН уменьшают порог разрушения на несколько порядков по сравнению с порогом разрушения при наличии собственного пробоя. Любое временное или постоянное изменение оптического элемента, вызванное воздействием интенсивного лазерного излучения, представляет собой повреждение лазером. Наиболее распространенным видом повреждения лазером является физическое повреждение оптических поверхностей с покрытием (например, трение, эрозия, плавление или расслоение). Часто встречаются также трещины и обесцвечивание объемного оптического материала.

Когда на оптическое покрытие падает плотность энергии, значение которой ниже порогового для данного образца, то с оптическим материалом не наблюдается никаких изменений. Но при превышении некоторой плотности энергии способствуются к появлению изменения на поверхности или в объеме образца.

При длительных импульсах небольшие дефекты или примеси в оптике преимущественно поглощают лазерное излучение. По мере нагрева примесей и расширения дефектов они могут вызывать плавление или разрыв окружающего материала. Ионизированная плазма, образовываясь еще больше, разрушает поверхность. Снижение уровня примесей и контроль дефектов изготовления поверхностей являются ключевыми стратегиями для создания высокой пороговой оптики повреждения.