6.5. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ ПРОХОДНОЙ ОПТИКИ МОЩНЫХ ЛАЗЕРОВ

Из сказанного выше можно сделать вывод о том, что сложность лучевого воздействия на кристалл и многие особенности этого воздействия (импульсное, непрерывное, сфокусированное и широкоапертурное и т.д.) делают невозможным существование какого-либо общего критерия лучевой стойкости кристаллов. Действительно, такие критерии трудно предложить, если разрушение происходит на поглощающих включениях под действием сфокусированных импульсных пучков с высокой энергией импульса. При таком воздействии лучевая прочность кристалла будет зависеть не столько от его природы, сколько от присутствия в нем локальных неоднородностей, инициирующих разрушение.

При более мягком воздействии импульсно-периодических или непрерывных широкоапертурных пучков:

а) основной причиной развития термоупругих напряжений является нагрев кристалла из-за поглощения в объеме;

б) разрушение происходит с накоплением дефектов в процессе оптического воздействия: наблюдается пластическая деформация, завершающаяся макроскопическим растрескиванием кристалла.

Можно предложить некоторые обобщающие критерии, определяющие применимость кристалла для лазерной оптики. Эти критерии должны включать:

1) коэффициент поглощения, определяющий уровень термической нагрузки на кристалл при данной интенсивности излучения;

2) механические характеристики кристалла - предел текучести, предел прочности и предел хрупкого разрушения, от которых зависит стойкость кристалла к воздействию термоупругих напряжений.

Характеристики, определяющие лучевую прочность для основных материалов, даны в табл. 6.1.

В табл. 6.1 приняты следующие обозначения:

К - коэффициент поглощения; - показатель преломления; - плотность;

- температура плавления; - теплопроводность;

С - удельная теплоемкость; а - коэффициент линейного расширения;

Е - модуль упругости; - предел упругости.

В качестве критерия лучевой прочности рассматриваются [26] комбинации механических и тепловых характеристик, от которых зависит нагрев кристалла при облучении:

1) в непрерывном режиме при охлаждении окна по диаметру

2) в непрерывном режиме при охлаждении окна по поверхности

3) в импульсном режиме

где - радиус оптического элемента; - коэффициент теплоотдачи;

- длительность импульса (остальные обозначения те же, что и в табл. 6.1).

Величины, характеризующие объемную лучевую прочность некоторых кристаллов, приведены в табл. 6.2.

Во многих случаях важны изменения, происходящие в кристалле до разрушения, приводящие к искажению волнового фронта лазерного луча. Такие искажения могут возникать уже на ранних стадиях накопления термоупругих напряжений вследствие эффекта

(кликните для просмотра скана)

Таблица 6.2. Лучевая прочностькристаллов апертуре луча до 3 см, длительности импульса [22]

Таблица 6.3. Коэффициенты искажения волнового фронта излучения лазера [15,27]

фотоупругости, и критерий оптической прочности должен включать величины, характеризующие искажение волнового фронта. Для таких случаев в [26] предлагаются следующие критерии лучевой стойкости

где - коэффициент искажения волнового фронта, определяемый [204] по формуле

где - константы фотоупругости; - коэффициент Пуассона; - длина волны излучения (остальные обозначения те же, что в (6.2) и (6.3) и в табл. 6.1).

Первый член этого выражения учитывает искажение волнового фронта из-за температурной зависимости показателя преломления, второй - из-за теплового расширения и последний - из-за эффекта фотоупругости. Стрела прогиба волнового фронта толщина оптического элемента).

Величины, определяющие искажения волнового фронта для некоторых кристаллов, приведены в табл. 6.3. Выбор критического размера прогиба волнового фронта определяется конкретным способом применения оптического материала.