Лазерный мир

В. Ю. Храмов, С. В. Гагарский, А. Н. Сергеев, Р. М. Ахмадуллин // Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2019, УДК 535.212, DOI: 10.17586/0021-3454-2019-62-2-142-149

Выявлены особенности покрытий HfO2/SiO2 и Ta2O5/SiO2, нанесенных на поглощающую подложку  из монокристаллического карбида кремния (SiC), вызывающие снижение их лучевой прочности. Экспериментально показано, что вследствие поперечных микросмещений пучка в процессе измерений лучевая прочность образца снижается до 2-3 раз. С использованием уравнения теплопроводности и метода конечных элементов в системе CAE (computer-aided engineering) проведено моделирование воздействия лазерного излучения с поперечным смещением пучка, а также рассчитана динамика изменения температуры и наводимых термоиндуцированных напряжений внутри вышеупомянутых образцов.

Введение. К оптическим элементам и материалам, предназначенным для применения в условиях космоса, выдвигают повышенные требования по их массогабаритным характеристикам и теплофизическим свойствам материала. Материал должен быть легким, прочным, иметь небольшой коэффициент теплового расширения [1]. С этой точки зрения карбид кремния (SiC) представляет интерес в качестве подложки для многослойного отражающего диэлектрического зеркала. Однако этот материал поглощает излучение в ближнем ИК-диапа-зоне, в том числе на длине волны твердотельных неодимовых лазеров (1,06 мкм) [2].

В настоящей работе измерены пороги лазерно-индуцированного разрушения (ЛИР) отражающих диэлектрических покрытий HfO2/SiO2 и Ta2O5/SiO2, нанесенных на поглощающую подложку монокристаллического карбида кремния. Также исследованы ведущие к снижению лучевой прочности особенности лазерного разрушения указанных образцов. Для анализа механизмов возникновения экспериментально выявленных особенностей проведено компьютерное моделирование динамики нагрева и термоиндуцированных напряжений, возникающих в процессе лазерного воздействия.

Оборудование и материалы. В качестве образцов использовались многослойные диэлектрические зеркала, нанесенные на поглощающую подложку из SiC. Материалы покрытий: HfO2/SiO2 для первого и Ta2O5/SiO2 — для второго образца. Коэффициент отражения зеркала на рабочей длине волны (1064 нм) составлял 99,9 %.

Для определения порогов разрушения в условиях, аналогичных воздействию непрерывного ЛИ, использовался волоконный УЬ-лазер серии ГЬР, входящий в состав комплекса для маркировки МиниМаркер М2 (см. табл. 2). Мощность выходного излучения регулировалась только током накачки. Скорость движения 1 мм/с обеспечивала перемещение на расстояние, равное половине диаметра пучка, за 12,5 мс (250 выстрелов при частоте повторения 20 кГц).

На основе методики, подробно описанной в работе [4], измерена лучевая прочность образцов. С помощью лазерного излучения на образец наносится прямоугольный массив точек. С увеличением номера записываемой строки уровень энергии в лазерном импульсе повышается. Кривая зависимости порога ЛИР определяется исходя из наличия или отсутствия разрушения в области воздействия лазерного импульса. На рис. 1 схематично представлена методика измерения. Схема установки для изучения лучевой стойкости приведена на рис. 2 [4]. Для определения зависимости вероятности лазерно-индуцированного пробоя рЛИР от плотности мощности Р лазерного воздействия на исследуемые образцы, использовался микроскоп, оснащенный ССБ-камерой. Поверхность образца фотографировалась с помощью микроскопа, а затем обрабатывалась в разработанной программе Я-ЬаЬ для обработки изображения поля точек повреждения в результате лазерно-индуцированного пробоя (ЛИР).

Результаты и обсуждение. Результаты исследований лучевой прочности в импульсном и квазинепрерывном режимах ЛИ представлены в табл. 3 (разброс значений лучевой стойкости в импульсном режиме 20 % с учетом данных по различным участкам поверхности исследуемых образцов). Выявлены особенности, которые ведут к снижению измеренного значения лучевой прочности. Режимы воздействия ЛИ: I — многократное воздействие неподвижным пучком в изолированную точку (расстояние между точками фокусировки превышают три диаметра пучка); II — аналогичен режиму I при наличии вибрации или смещения пучка; III — воздействие в окрестности полученной ранее поврежденной области (расстояние между точками примерно равно диаметру пучка).

Полное содержание статьи: https://cyberleninka.ru/article/n/luchevaya-prochnost-nanesennyh-na-pogloschayuschuyu-podlozhku-dielektricheskih-otrazhayuschih-pokrytiy/pdf