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:     | 1 || 3 |

Термомеханическая обработка материалов проходной оптики лазеров среднего ик - диапазона

-- [ Страница 2 ] --

В третьей главе представлены экспериментальные данные по исследованию влияния режимов деформационного упрочнения на структуру, прочностные и оптические (коэффициент поглощения на длине волны 10,6 мкм и расходимость оптического луча) характеристики кристаллов КCl. Проведен анализ температурных зависимостей предела текучести и релаксации напряжений в деформационно-упрочненных кристаллах. Проведено сопоставление температурных зависимостей измеряемых параметров деформационного упрочнения с температурными зависимостями состояния примесей в ЩГК.

При выборе режима деформационного упрочнения учитывалось реальное состояние кристалла и возможное влияние примесей на стадии деформационного упрочнения. Для поиска оптимальных условий ТМО кристаллов в данной работе проведены исследования влияния упрочняющей примеси и предварительной деформации на деформационное упрочнение KCl при различных температурах. В экспериментах использовались кристаллы KCl номинально чистые, с содержанием неконтролируемых примесей 10 – 4 атомных долей, и кристаллы легированные упрочняющими примесями - свинца и стронция. Значительно упрочняют ЩГК гетеровалентные примеси, находящиеся в ассоциированном состоянии. Растворение примесных ассоциаций с ростом температуры приводит к снижению напряжения течения кристалла. Показано, что деформационное упрочнение KC1 может приводить к такой же степени упрочнения кристалла, как и легирование. Однако при легировании коэффициент пропускания кристаллов снижался почти в два раза (для чистых кристаллов коэффициент поглощения на длине волны 10,6 мкм составил  = 10-3 см-1, а для легированных стронцием кристаллов  = 1,8 10-3 см-1), тогда как пластическая деформация до степени 10-15 % практически не влияет на величину коэффициента поглощения KCl.

Температурная зависимость предела текучести кристаллов после ТМО (температуры ТМО показаны на рисунке 1) немонотонна. До температуры 400 - 450 К значения предела текучести слабо зависят от температуры. При повышении температуры испытания до 500 - 550 К наблюдается резкое снижение величины предела текучести деформационно-упрочненных кристаллов, а при Т > 600 K предел текучести деформационно-упрочненных кристаллов становится равным пределу текучести недеформированных монокристаллов. Это позволяет сделать вывод, что термомеханическая обработка кристалла, имеющая цель повысить механическую прочность кристалла, должна проводиться при температурах, не превышающих 500 К, т. е. до температур начала спада достигнутого упрочнения. Температурная зависимость предела текучести деформационно-упрочненных кристаллов совпадает по температурным интервалам с т (Т) кристаллов, упрочненных легированием.

Рисунок 1 - Температурная зависимость предела текучести кристаллов КСl, предварительно деформированных до степени деформации 10 - 15 % при различных температурах, К:

В процессе эксплуатации элементы силовой лазерной оптики работают при повышенных температурах из-за нагрева лазерным лучом. Поэтому важно, чтобы свойства материала силовой оптики в этих условиях были достаточно стабильны, и материал не имел больших внутренних напряжений, оставаясь упрочненным. Исследование релаксации напряжений в KCl показало, что релаксация напряжений зависит от степени и температуры предварительной деформации (рисунок 2).

 Температурная зависимость-3

Рисунок 2 - Температурная зависимость величины d lg(-)/d деформационно - упрочненных кристаллов КСl. Степень упрочняющей деформации 10 - 15 %.

Минимум на температурной зависимости достигается несколько раньше (вблизи 450 - 500 К), чем происходит полный спад на температурной зависимости предела текучести (около 500 - 550 К). Из этого следует, что с помощью деформационного упрочнения при 450 - 500 К можно получить стабильную (с релаксированными напряжениями) структуру первичной рекристаллизации, в которой сохраняется деформационное упрочнение.

В деформированных кристаллах упрочнение определяется дислокационной структурой, и можно полагать, что в интервале температур 500 - 600 К происходит существенное изменение дислокационной структуры, приводящее к разупрочнению кристалла. Исследование структуры деформированных кристаллов показывает, что при температурах ниже 400 - 450 К до   20 % пластическое течение происходит в одной системе скольжения {110} <110>. После ТМО KCl при температурах ниже 400 K в кристалле формируется система полос скольжения. При этом кристалл имеет высокие остаточные напряжения. В пластинах, деформированных при более высоких температурах, (470 - 570 К), до  = 15 - 20 %, наряду с полосами скольжения в направлениях <110> появляются полосы скольжения в направлениях <100>. Деформация при повышенных температурах сопровождается релаксацией напряжений и при температурах выше 500 К начинается рекристаллизация. При температурах 450 - 500 К образуется мелкозернистая структура первичной рекристаллизации (рисунок 3). Дальнейшее повышение температуры ТМО приводит к собирательной рекристаллизации.

Для оценки влияния деформации на оптическое качество кристаллов измерялось на длине волны 10,6 мкм, оптическое поглощение и расходимость оптического луча на длине волны 0,63 мкм.

Рисунок 3 - Мелкозернистая структура первичной рекристаллизации в кристаллах КС1 после деформации при температуре 500 К и степени деформации 7 - 10 %.

Измерение оптического поглощения деформированных кристаллов КCl показало, что одноосное деформационное упрочнение ЩГК при  < 30 % практически не изменяет поглощения материала.

Другой важной оптической характеристикой материала проходной оптики является искажение волнового фронта лазерного излучения и расходимость луча. Эти характеристики определяются однородностью материала. Минимальная расходимость прошедшего через деформированный кристалл лазерного излучения наблюдается при температуре ТМО, равной (510 ± 10) К. Это соответствует режимам ТМО, при которых формируется мелкозернистая структура с релаксированными напряжениями.

С увеличением степени предварительной деформации кристаллов расходимость прошедшего через кристалл лазерного излучения увеличивается, что свидетельствует о повышении неоднородности образцов с ростом пластической деформации. Установлено, что предельная деформация для деформационного упрочнения составляет 20 %, т.к. расходимость луча в деформированных при таких условиях кристаллах не превышает 0,3 мрад, что является предельным критическим значением расходимости лазерного излучения по условиям эксплуатации оптических элементов.

Для получения устойчивой однородной мелкозернистой структуры первичной рекристаллизации оптимальным режимом ТМО кристаллов КС1 является одноосное деформационное сжатие вдоль <001> со скоростью 0,01 - 0,1 мм/мин при температурах не менее 450 К до степени деформации 7 - 25 % и не более 550 К до степени деформации 5 - 15 %. Увеличение температуры и деформации выше указанных приводит к появлению нестабильной крупнозернистой структуры собирательной рекристаллизации и к росту расходимости лазерного луча, а снижение температуры ниже 450 К увеличивает риск раскалывания кристаллических пластин в процессе деформации.

В четвертой главе представлены результаты исследования лазерной стойкости деформационно-упрочненных ЩГК и морфологии повреждений, возникающих под действием импульсного и непрерывного лазерного излучения.

Исследование морфологии повреждения кристаллов ЩГК излучением мощного широкоапертурного СО2-лазера при различных режимах облучения показало, что повреждения, возникающие в упрочненных ЩГК, подобны тем, что образуются в монокристаллах. Повреждения поверхности представляет собой сетку трещин, идущих по плоскостям спайности {100}, глубиной 0,1 – 1 мм, протяженностью 1 – 20 мм. Порог возникновения повреждений поверхности Wts (как величина средней плотности энергии в импульсе лазерного излучения при вероятности повреждения 0,5) в деформированных кристаллах KCl равен 4 - 8 Дж/см2. Воздействие лазерного излучения на поверхность сопровождается образованием плазменного факела, возникающего вблизи поверхности при оптическом пробое в воздушно-газовой среде в результате сложения амплитуд падающих и отраженных от поверхности световых волн. Расположение трещин на поверхности и степень ее повреждения соответствуют пространственному распределению и интенсивности свечения плазменных образований, возникающих вблизи фронтальной или тыловой поверхности оптического элемента. Под действием сфокусированного лазерного пучка на поверхности ОЭ возникает кратер, от которого отходят линии скольжения и трещины. Повреждения объема представляют собой сферические поры или трещины по границам блоков и зерен. Порог их возникновения (Wtv) зависит от режима ТМО и составляет 2,5 - 8 Дж/см2. При увеличении выше 40 % и температуры деформации выше 600 К наблюдается резкое снижение порогов повреждения объема, причем с увеличением до 50 - 60 % и более, Wtv становится ниже Wts. Снижение порогов повреждения объема объясняется собирательной рекристаллизацией, приводящей к тому, что разрушение под действием лазерного пучка происходит в результате активизации процесса растрескивания кристалла по границам зерен (рисунок 4).

Повреждение ОЭ из упрочненных ЩГК под действием непрерывного лазерного излучения происходит в результате раскалывания упрочненного кристалла по границам блоков и зерен, а ОЭ, изготовленных из монокристаллов – по плоскостям спайности. При этом значения порогов лазерного повреждения объема и поверхности деформационно-упрочненных ЩГК в 1,2 - 1,5 раза выше, чем у монокристаллов. Наибольшее повышение порогов лазерного повреждения достигается после ТМО при температуре деформации 450 - 500 К и степени деформации  = 10 - 15 %.

Рисунок 4 - Разрушение ОЭ,

изготовленного из деформационно- упрочненного кристалла KCl, имеющего крупнозернистую структуру собирательной рекристаллизации, при импульсном лазерном воздействии.

Трещины на поверхности и по границам зерен.

Важным фактором деформационного упрочнения элементов силовой оптики из KCl является повышение механической прочности кристаллов, что позволяет снизить толщину оптических элементов, испытывающих механическую нагрузку, например, когда лазерное окно разделяет две среды с различным давлением (выходное окно газового лазера, входное окно вакуумной камеры). В этом случае с уменьшением толщины оптического элемента за счет применения упрочненных ЩГК уменьшается величина облучаемого объема материала, что ведет к существенному повышению лазерной стойкости оптических элементов, в связи с объемным размерным эффектом. ОЭ, изготовленные из деформационно-упрочненных кристаллов, при одинаковой апертуре излучения могут иметь в 2 - 3 раза меньшую толщину, чем элементы из монокристаллов. Эти элементы способны пропускать более интенсивные потоки лазерного излучения по сравнению с монокристаллами, что весьма существенно при апертурах свыше 150 - 200 мм, так как уменьшение толщины элемента приводит к значительной экономии материала.

Оптимальным режимом деформационного упрочнения для повышения стойкости оптических материалов силовой оптики СО2-лазеров на основе KCl является ТМО при температурах 450 - 500 К, скорости деформации 0,01 - 0,1 мм/мин до степени деформации  = 10 - 15 %.

В пятой главе показано, что пластическую деформацию кристаллов ЩГК можно использовать для создания элементов управления лазерным излучением - плоских дифракционных оптических элементов проходной оптики мощных СО2-лазеров, на примере получения дифракционных решеток на поверхности кристалла KCl путем деформации. Проведен выбор материала пуансона и изготовлен пуансон для переноса рельефа на поверхность KCl в режиме термомеханической обработки. Анализируется влияние температуры и степени деформации на оптическое пропускание кристаллов KCl с дифракционным рельефом.

Получение заданного распределения интенсивности лазерного излучения в пространстве возможно с помощью фазовых зонных пластинок, использующих дифракцию света на рельефе поверхности, т.н. киноформных элементов. Киноформная структура по толщине обычно составляет несколько микрон. Такой характер фазовой структуры позволяет создавать оптические детали, вес которых мало зависит от апертуры. Наиболее сложной является задача выбора материала и создания рельефа, соответствующего рассчитанной фазовой функции. Очевидно, что материалы, используемые для изготовления киноформных элементов, должны быть стойкими к воздействию лазерного излучения, как и материалы проходной оптики. Традиционные способы формообразования поверхности, такие, например, как механическая обработка, либо не обеспечивают необходимой точности, либо ограничены в возможностях для обработки ЩГК.

Применение пластической деформации для создания стойких материалов проходной лазерной оптики, таких, как деформационно-упрочненные кристаллы KCl, позволяет рассмотреть возможность использования пластической деформации для переноса рельефа, требуемого для получения дифракционного элемента на поверхности KCl. Деформационное упрочнение повышает лазерную стойкость не только объема кристалла, но и его поверхности, а возможность изменять геометрию поверхности с помощью пластической деформации открывает определенные возможности для создания новых оптических элементов на основе ЩГК.

Для того чтобы показать возможность создания на поверхности ЩГК дифракционных элементов с рельефом любой формы в виде выпуклых ребер или вогнутых канавок, достаточно разработать технологию изготовления дифракционной решетки со штрихами в виде прямых линий. В данной работе разработан метод изготовления дифракционной решетки на поверхности кристаллической пластины KCl с помощью деформации.

Материал пуансона, на поверхности которого создана требуемая матрица, должен иметь достаточную твердость и не взаимодействовать с деформируемым кристаллом. В качестве такого материала был выбран кремний, который, как показали опыты по пластической деформации KCl, не взаимодействует с поверхностью ЩГК и может быть использован в качестве пуансона. Для получения упрочненных заготовок пластина из КС1 подвергалась сжатию между полированными кремниевыми пуансонами до степени деформации 10 % при 500 К. После ТМО качество поверхности деформированных образцов КС1 вполне соответствовало качеству поверхности пуансонов. Используя в качестве пуансонов кремниевые пластины с высоким качеством обработки поверхности можно получать деформационно-упрочненные пластины ЩГК с оптически полированной поверхностью, не требующей дополнительной обработки поверхности, по качеству не хуже поверхности пуансона.

Режим деформации сжатием при 450 - 550 К при достаточно малых скоростях, применяемый для деформационного упрочнения заготовок лазерных окон, использован и для получения дифракционных элементов из ЩГК. Для получения рельефа на поверхности кремниевого пуансона на оптически отполированной пластине кремния на площадке 2 см2 создавалась дифракционная решетка в виде параллельных штрихов длиной 15 мм. В качестве резца использовалась алмазная пирамида с углом между гранями равным 1360. Нагрузка на пирамиде варьировалась в пределах от 20 до 200 г. Форма профиля на пуансоне имеет вид углубленных треугольных канавок. Глубина профиля на поверхности Si-пуансона в зависимости от нагрузки на пирамиду составляла от 10 до 25 мкм. Расстояние между штрихами варьировалось в пределах 50 - 150 мкм.

Рельеф на поверхности оптического элемента создавался путем переноса рельефа кремниевого пуансона на поверхность ЩГК в процессе деформации при одноосном сжатии вдоль <001>. Отполированные пластины КСl размером до 100 мм в диаметре устанавливались в термокамере между кремниевыми пуансонами, на одном из которых был нанесен дифракционный рельеф. В процессе термомеханической обработки при Т = 500 К,  = 12 %, V = 0,1 мм/мин были получены деформационно-упрочненные плоские ОЭ с однородной мелкозернистой структурой, с рельефом на поверхности в виде выступающих над поверхностью ребер, соответствующих дифракционному рельефу на поверхности кремниевого пуансона (рисунки 5 - 6).

При помощи гелий-неонового лазера ( = 0,63 мкм) были получены дифракционные картины от кремниевого пуансона и от плоского оптического элемента из ЩГК. Как видно из рисунка 7, дифракционная картина, полученная от деформированной пластины KCl с вдавленным рельефом на ее поверхности, полностью совпадает с дифракционной картиной, полученной от дифракционного рельефа пуансона, что доказывает возможность создания дифракционной оптики на ОЭ из деформационно-упрочненных ЩГК.

Таким образом, разработан способ получения оптических элементов с поверхностями высокого оптического качества (не ниже 13 класса чистоты) и дифракционным рельефом на поверхности путем пластической деформации пластин ЩГК между пластинами с заданным рельефом, изготовленными из кремния, до степени деформации 10 - 20 % со скоростью 0,01 - 0,1 мм/мин при температуре 450 - 500 К.

Разработанный способ позволяет создавать упрочненные ОЭ, не требующие дополнительной механической обработки поверхности, с однородной мелкозернистой структурой и рельефом на поверхности для формирования лазерного луча с заданными пространственными характеристиками.

Рисунок 5 - Дифракционная решетка на поверхности KCl, нанесенная путем деформации Рисунок 6 - Поперечное сечение кристалла KCl, после вдавливания рельефа кремниевого пуансона

 а) б) Дифракция луча-10

а) б)

Рисунок 7 - Дифракция луча He-Ne-лазера, полученная на дифракционных решетках:

а) при отражении от кремниевого пуансона;

б) при прохождении лазерного луча через оптический элемент из деформационно-упрочненного кристалла KCl с дифракционной решеткой, вдавленной указанным пуансоном на поверхность кристалла.

ВЫВОДЫ

На основании экспериментальных исследований пластической деформации кристаллов KCl, микроструктуры, релаксации напряжений, оптической однородности деформированных кристаллов, состояния примесных центров в кристаллах, оптической стойкости кристаллов к воздействию широкоапертурного лазерного ИК излучения с длиной волны 10,6 мкм, с апертурой до 15 см, были получены следующие основные результаты:



Pages:     | 1 || 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.