авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Термомеханическая обработка материалов проходной оптики лазеров среднего ик - диапазона

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ПЕТРАКОВ ВАЛЕРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

Термомеханическая обработка материалов проходной оптики

лазеров среднего ИК - диапазона

Специальность 05.27.06 – технология и

оборудование для производства полупроводников,

материалов и приборов электронной техники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2007

Работа выполнена на кафедре физики кристаллов Московского государственного института стали и сплавов (технологического университета).

Научный руководитель: профессор, доктор физико-математических наук, Блистанов Александр Алексеевич

Официальные оппоненты: профессор, доктор физико-математических наук

Прокошкин Сергей Дмитриевич,

доцент, кандидат технических наук, подполковник

Сахаров Михаил Викторович. ВА РВСН им. Петра Великого.

Ведущая организация: Федеральное Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» Ростовский государственный университет.

Защита состоится 22 мая 2007 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д212.120.06 при Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова (МИТХТ им. М.В. Ломоносова) по адресу: 119571 Москва, пр. Вернадского, 86, ауд. М-119

Ваши отзывы на автореферат просим присылать по адресу: 119571 Москва, пр. Вернадского, 86, МИТХТ им. М.В. Ломоносова

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В.Ломоносова по адресу: Москва, пр. Вернадского, 86, МИТХТ им. М.В. Ломоносова

Автореферат разослан «__18_____»___апреля________ 2007 г

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.120.06 Г.М.Кузьмичева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Разработка мощных широкоапертурных СО- и СО2- лазеров обострила потребность в материалах для изготовления крупногабаритных оптических элементов (окон, призм, линз и т.п.) для силовых оптических трактов, способных работать без разрушения в условиях воздействия ИК излучения с интенсивностью, достигающей десятков киловатт в непрерывном и энергией несколько килоджоулей в импульсном режимах генерации.

Воздействие лазерного излучения на материал имеет сложный характер. Действие лазерного излучения может приводить к общему нагреву материала и возникновению термических напряжений, к локальному нагреву неоднородностей материала, которые являются концентраторами напряжений, к появлению электромагнитных полей на уровне пробоя, к появлению плазменных факелов вблизи поверхности материала, вызывающих нагрев материала и возникновение ударных волн, и т.д. Характер воздействия лазерного излучения во многом зависит от вида излучения (импульсное или непрерывное, сфокусированное или широкоапертурное) и от свойств оптического материала.

В настоящее время выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на повышение работоспособности оптических элементов силовой ИК оптики. Разработаны принципы создания проходной оптики импульсных и непрерывных лазеров среднего ИК диапазона, способы повышения лазерной стойкости, надежности и срока службы элементов силовой ИК оптики, а также конструкции окон вывода излучения мощных широкоапертурных импульсных и импульсно-периодических СО2-лазеров. Созданы физические модели процессов лучевого разрушения материалов под действием лазерного излучения. Открыт эффект накопления повреждений при облучении материалов лазерным излучением.

Важнейшим требованием к материалам для элементов лазерной оптики является низкий коэффициент поглощения в ИК области спектра. Окна вывода излучения СО2-лазеров изготавливают из полупроводниковых соединений типа А3В5 и А2В6 (GaAs, ZnSe, CdTe) и щелочногалоидных кристаллов. Из-за сильной температурной зависимости концентрации носителей заряда, а следовательно и коэффициента поглощения, полупроводниковые кристаллы могут быть использованы при относительно низких плотностях мощности излучения (до 0,5-3 кВт/см2). Щелочногалоидные кристаллы (ЩГК), имеющие достаточно низкий коэффициент поглощения в ИК области спектра, порядка 10-4 см-1, перспективны для изготовления крупногабаритных оптических элементов (ОЭ) силовых оптических трактов. Недостатком кристаллов является низкая механическая прочность, в связи с высокой анизотропией свойств, приводящей к легкому раскалыванию кристаллов по плоскостям спайности, появлению трещин и разрушению ЩГК в условиях термомеханических перегрузок. Для увеличения лазерной стойкости оптических элементов из ЩГК и расширения возможностей их использования в оптических трактах мощных лазерных установок необходимо повысить механическую прочность кристаллов. Так как один из основных методов упрочнения ЩГК - легирование приводит к одновременному увеличению поглощения в ИК области спектра, то поиск методов упрочнения ЩГК определяет актуальность данной работы.

Цель и задачи работы

Целью работы является разработка метода повышения стойкости оптических элементов из ЩГК к лазерному воздействию путем увеличения механической прочности при сохранении высоких оптических характеристик кристаллов.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

  • исследовать деформационное упрочнение кристаллов в процессе термомеханической обработки (ТМО);
  • найти оптимальные условия ТМО для деформационного упрочнения ЩГК, обеспечивающие упрочнение кристаллов, сохранение низкого коэффициента поглощения и устойчивость полученной микроструктуры при повышенных температурах;
  • изучить влияние деформационного упрочнения на оптическое качество и стойкость ЩГК к воздействию импульсного и непрерывного лазерного излучения;
  • разработать способ термомеханической обработки крупногабаритных кристаллов и разработать метод изготовления дифракционных оптических элементов проходной ИК лазерной оптики с помощью пластической деформации.

Научная новизна работы

1. Установлена зависимость упрочнения ЩГК от вида микроструктуры, полученной в результате ТМО в диапазоне температур 300-900 К.

2. Определены оптимальные условия ТМО, обеспечивающие упрочнение кристаллов, сохранение низкого коэффициента поглощения и устойчивость полученной микроструктуры при повышенных температурах: температура деформации 400-450 К, степень деформации 10-15 %, скорость деформации 0,01-0,1 мм/мин.

3. Установлено, что изготовленные из упрочненных кристаллов оптические элементы проходной лазерной оптики имеют повышенную стойкость к лазерному воздействию при различных режимах облучения: значения порогов лазерного повреждения объема и поверхности деформационно-упрочненных ЩГК в 1,2 - 1,5 раза выше, чем у монокристаллов. Показана возможность использования пластической деформации путем одноосного сжатия пластин KCl для получения дифракционных оптических элементов на поверхности ЩГК.

Практическая значимость работы

Разработаны режимы ТМО для деформационного упрочнения оптических элементов из кристаллов KCl. Разработано стендовое оборудование для получения крупногабаритных деформационно-упрочненных заготовок оптических элементов широкоапертурных СО2-лазеров из кристаллических пластин ЩГК диаметром до 300 мм путем сжатия при температурах 300 – 900 К при усилиях до 1200 кН и скоростях деформации 0,01-1 мм/мин.

Из деформационно-упрочненных кристаллов изготовлены окна вывода излучения СО2-лазеров с апертурой до 150 мм, с удельной лазерной стойкостью в 1,2-1,5 раз превышающей стойкость окон из исходных монокристаллов.

Разработан метод получения дифракционных оптических элементов путем деформации сжатием монокристаллов ЩГК, позволяющий получать дифракционные решетки, линзы Френеля и другие дифракционные оптические элементы проходной ИК лазерной оптики.

Основные результаты, выносимые на защиту.

  1. Зависимость механических и оптических свойств кристаллов КС1 от условий деформации, обеспечивающей деформационное упрочнение, низкий коэффициент поглощения кристаллов КС1 и изменение микроструктуры в процессе термомеханической обработки при различных температурах.
  2. Влияние деформационного упрочнения на лазерную стойкость кристаллов KCl.
  3. Режимы ТМО для деформационного упрочнения монокристаллических заготовок оптических элементов из KCl и метод получения дифракционных оптических элементов из кристаллов KCl путем пластической деформации.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на девяти международных и республиканских научных конференциях:

  • научно-технической конференции “Технология производства и обработки оптического стекла и материалов”, Москва, Дом оптики, 15-16 ноября 2000 г.;
  • IV Всероссийской научно-технической конференции “Проблемы создания лазерных систем”, г. Радужный, 25-27 сентября 2002 г.;
  • VI International Conf. “AMPL’2003”, Tomsk, 15-19 September 2003 г.;
  • Второй Международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», посвященной памяти М.П. Шаскольской, Москва, 28-30 октября 2003 г.;
  • симпозиум «Лазеры на парах металлов», Лоо, 2004 г.;
  • республиканской научно-технической конференции «Лазеры. Измерения. Информация», С-Петербург, 8-9 июня 2005 г.;
  • VII International Conf. “AMPL’2005”, Tomsk, 12-16 September 2005 г.;
  • симпозиум «Лазеры на парах металлов», Лоо, 2006 г.;
  • IV Российско-Японском семинаре «Перспективные технологии и оборудование для материаловедения, микро- и наноэлектроники», Астрахань, 22-23 мая 2006 г.;
  • Третьей Международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», Москва-Черноголовка, 20-24 ноября 2006 г.;

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ: 6 статей в журналах и сборнике трудов и 13 тезисов докладов.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы, включающего 149 наименований. Диссертация изложена на 132 страницах, содержит 48 рисунков, 9 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи работы, показана ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе представлен аналитический обзор литературы по теме диссертации, обсуждаются проблемы повышения лазерной стойкости материалов силовой ИК оптики, сформулированы требования к материалам ОЭ лазерной оптики, рассмотрены механизмы разрушения материалов под действием излучения мощных СО2-лазеров, приведены основные оптические, физико-химические и механические характеристики кристаллов и критерии, определяющие лазерную стойкость материалов проходной лазерной оптики.

Создание надежной и долговечной проходной оптики мощных широкоапертурных СО2-лазеров ограничено выбором ИК материалов оптических элементов силовой оптики - окон вывода излучения, линз, призм, клиньев и др. Лазерная стойкость ОЭ силовой оптики определяется как свойствами материалов ОЭ, так и условиями лазерного излучения. Излучение мощных технологических СО2-лазеров характеризуется высокой плотностью мощности порядка 106 - 1010 Вт/см2 при больших апертурах (3 - 30 см) и различных временах воздействия (от коротких импульсов со временем излучения 10-9 - 10-3 с до непрерывного излучения).

Исследования лазерного повреждения поверхности и объема материалов ОЭ силовой ИК оптики свидетельствуют, что процессы, определяющие лазерное повреждение материалов, принципиально различаются в зависимости от оптического качества материалов, условий воздействия и параметров лазерного излучения, технологии получения и обработки материалов. Технология изготовления оптических элементов силовой оптики для СО2-лазеров является одним из наиболее важных факторов, определяющих работоспособность лазерной оптики. Она включает два основных этапа: выращивание кристалла и технологические обработки материала при изготовлении оптического элемента.

Под действием многократного лазерного облучения допороговой интенсивности в оптических материалах наблюдается явление усталости, которое заключается в снижении лазерной стойкости, так называемый «эффект накопления». Эффект связывается с накоплением дефектов в области облучения и является одним из основных факторов, ограничивающих применение оптических материалов в квантовой оптике. В монокристаллах КСl при многократном воздействии лазерного излучения допороговой интенсивности происходит образование частиц коллоидного калия, имеющих размеры порядка 100 нм в нелегированных и 400 - 500 нм в легированных кристаллах.

Важнейшими характеристиками кристаллов, определяющими выбор материалов для элементов оптических трактов широкоапертурных лазеров ИК диапазона при различных режимах облучения, являются коэффициент оптического поглощения в ИК области спектра и предел текучести.

Сопоставляя свойства кристаллов, можно сделать вывод о том, что наиболее широко в лазерной ИК оптике могут применяться ЩГК и полупроводниковые кристаллы ZnSe. Разработаны способы выращивания монокристаллов ZnSe диаметром 160 мм с  = 3·10-3 см-1 и поликристаллов ZnSe диаметром до 300 мм с  = 10-2-10-1 см-1. Но, учитывая сильную температурную зависимость коэффициента поглощения полупроводников, следует признать, что для силовой оптики мощных СО2-лазеров более предпочтительны ЩГК, имеющие низкий коэффициент поглощения в ИК области спектра, высокую технологичность и относительно низкую стоимость: в чистых кристаллах КСl  = 9·10-5 см-1 при размерах  45 х 100 мм, а у серийно выпускаемых монокристаллов КСl  = (1-5)·10-4 см-1 при диаметре до 600 мм. Порог лазерного пробоя монокристаллов KCl короткоимпульсным излучением СО2-лазера достигал 8·108 Вт/cм2.

В результате анализа литературных данных по лазерной стойкости в качестве основного материала для исследований выбран один из наиболее перспективных материалов силовой оптики мощных лазеров ИК диапазона – кристалл KCl. Однако щелочногалоидные кристаллы, в том числе и KCl, имеют относительно низкие механические свойства. Таким образом, для увеличения лазерной стойкости следует повышать механическую прочность кристаллов KCl.

Влияние легирования на порог оптического разрушения зависит от вида и состояния, в котором находится примесь. Легирование ЩГК гетеровалентными примесями, например, Mg2+, Ca2+, Ba2+, Pb2+, повышает пределы текучести и прочности кристаллов, однако приводит к повышению коэффициента поглощения света и снижает лазерную стойкость кристаллов, поэтому прямой корреляции между оптической и механической прочностью легированных кристаллов не наблюдается.

Для повышения лазерной стойкости ОЭ из КСl выбран метод термомеханической обработки путем одноосной деформации при заданной температуре. Требуется найти режимы ТМО для упрочнения кристаллов, не ухудшающие оптические характеристики (коэффициент поглощения, расходимость излучения в кристалле) и повышающие стойкость к лазерному воздействию.

Во второй главе представлены методики: проведения экспериментальных исследований, подготовки кристаллов для исследования, термомеханической обработки крупногабаритных кристаллических заготовок ЩГК, исследования напряженного состояния и структуры деформационно-упрочненных кристаллов, определения порогов лазерного разрушения ЩГК и исследования стойкости кристаллов к воздействию лазерного излучения.

Для исследования условий проведения ТМО пластин ЩГК диаметром до 100 мм была сконструирована деформационная машина с максимальным усилием 50 кН, с жестким силоизмерительным датчиком и внешним водяным охлаждением. Нагрев образца при температурных испытаниях осуществляли в термокамере, в которой печь совмещена с узлом нагружения образца. Термомеханическую обработку монокристаллических пластин проводили на деформационной машине путем сжатия вдоль направления <001>, при температурах от 300 до 900 К, до степени деформации 3-80 %, со скоростью деформации 0,01-0,2 мм/мин.

Термомеханическую обработку крупногабаритных заготовок, диаметром 100-300 мм, проводили на прессе типа ПСУ-125 с максимальным усилием 1200 кН. Для этого пресса была сконструирована и изготовлена термокамера, позволяющая проводить термомеханическую обработку ЩГК в виде пластин диаметром до 300 мм и толщиной до 130 мм при температурах 300-900 К. Разработанная аппаратура обеспечивает возможность деформационного упрочнения крупногабаритных заготовок из ЩГК для силовой ИК оптики мощных широкоапертурных лазеров.

Исследование стойкости ЩГК к воздействию широкоапертурного лазерного излучения проведено на универсальном испытательном стенде ФГУП ГосНИИ Лазерный центр РФ «Радуга» и на лазерных стендах НИЦТЛ РАН. В качестве источников излучения были использованы широкоапертурные CO2-лазеры: импульсные и импульсно-периодические ТЕА лазеры, квазинепрерывный и непрерывный газодинамический лазер.

Длительность импульсов излучения импульсных CO2-лазеров по уровню 0,5 изменялась в пределах 0,5-3 мкс, 30-40 мкс, 0,1-0,5 мс. Погрешность измерений длительности импульса по уровню 0,5 не превышала 15 %. Энергия измерялась проходными решетчатыми болометрами, показания которых фиксировались шлейфовыми осциллографами. Значение энергии (мощности) в импульсе газодинамического лазера изменялось в пределах 2,8-130 кДж (19-210 кВт), длительность импульса - 0,1 - 1 с, среднее значение плотности энергии (мощности) излучения - 0,08-2,7 кДж/см2 (0,1-3 кВт/см2), площадь апертуры излучения составляла 44 и 70 см2.

Средняя мощность непрерывного излучения варьировалась в пределах 0,1-5 кВт, с продолжительностью облучения 101-104 с. Площадь пятна излучения в плоскости образцов изменялась от 0,8 до 200 см2, плотность мощности - в интервале 0,05-5 кВт/см2. Размер оптических элементов из монокристаллов KCl и NaCl составлял от 40х40х8 мм до 175х175х27 мм и от 180х25 мм до 300х55 мм.

Величины порогов повреждения под действием лазерного излучения определялись в результате статистической обработки экспериментальных данных: значения плотности энергии W (мощности q) подводимого к оптическим элементам лазерного излучения, при которых с вероятностью 0,5 возникали повреждения, были приняты в качестве порогов повреждения поверхности или объема кристаллов.

Использование универсального стендового комплекса для проведения испытаний на стойкость ЩГК к воздействию широкоапертурного излучения СО2-лазера, благодаря применению системы растровых зеркал, обеспечивших выравнивание распределения мощности по апертуре, и высокоточной системе регистрации оптико-физических параметров лазерного излучения, позволило существенно снизить влияние случайных факторов и повысить достоверность измерения порогов лазерного разрушения оптических элементов.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.