Оптические элементы мощных лазеров. Непременной частью любого лазера и связанных с ним устройств являются оптические элементы. Когда рассматриваются СО₂ лазеры, генерирующие излучение на длинах волн от 9 до 11 мкм, непременным требованием к оптическим элементам выступает их совместимость с этим диапазоном. Кроме того, поскольку речь идет о мощных лазерах, то появляется еще одно требование к оптическим элементам – высокая лучевая стойкость.

Различные оптические элементы, используемые в лазерных установках, можно разделить на четыре группы: 1) элементы резонатора; 2) выходные окна генераторов или усилителей; 3) оптические элементы внешней схемы лазерной установки; 4) нелинейные оптические элементы (затворы, модуляторы, преобразователи длины волны и другие). Последнюю группу здесь рассматривать не будем, она занимает особое положение.

Элементами оптического резонатора являются зеркала. Они бывают либо полностью непрозрачными («глухие»), либо частично прозрачными (выходное зеркало). Глухие зеркала изготавливаются из металла (чаще всего это медь) или из специальной подложки, на которую напыляется слой, отражающий не менее 95% падающего излучения. Подложка в этом случае выбирается такой, чтобы она способствовала интенсивному охлаждению отражающего слоя. Выходные зеркала для СО₂ лазеров изготавливаются из монокристаллов, пропускающих определенную часть излучения на длине волны этого лазера и отражающих почти всю остальную часть излучения. Как правило, для задания нужных коэффициентов пропускания и отражения, на поверхности пластины из монокристалла напыляют либо просветляющие, либо отражающие интерференционные покрытия.

Различают оптические резонаторы устойчивой и неустойчивой конфигураций. Схематично они изображены на рис.2.26.

Выходное зеркало устойчивого резонатора частично прозрачно для излучения на длине волны лазера. Отражающая поверхность и материал зеркала должны обладать минимальными потерями на поглощение. Сечение выходящего луча зависит от конфигурации разрядного промежутка и от формы выходной апертуры. На рисунке, в частности, изображено квадратное сечение луча. Квадрат при хорошем качестве зеркал и однородности разряда равномерно заполнен излучением, за исключением краев, где происходит спад интенсивности.

В случае неустойчивого резонатора (Б) оба зеркала «глухие». Заднее зеркало обычно имеет вогнутую сферическую отражающую поверхность, а переднее выходное зеркало – выпуклую поверхность. Выходное зеркало затеняет всю центральную часть луча, и его сечение имеет форму «бублика». Несмотря на неудобства, связанные с особой формой сечения луча, неустойчивые резонаторы широко применяются в мощных лазерах. Одна из причин – высокая лучевая стойкость металлических зеркал.

В мою задачу не входит изложение теории и практики исполнения оптических резонаторов, этим вопросам посвящены многочисленные специальные учебники и монографии. Ограничусь рассмотрением тех кристаллических материалов, которые используются для создания зеркал, частично прозрачных в инфракрасном диапазоне длин волн.

Выходные окна лазеров и усилителей. Их назначение – герметично закрывать торцы кюветы и при этом пропускать излучение на лазерной длине волны. Выходные окна - обязательный элемент усилителей. В лазерных генераторах их используют в двух случаях: когда по каким-то причинам устанавливается оптический резонатор с выносными зеркалами, или когда применен неустойчивый оптический резонатор. Торцы кюветы лазера с устойчивым резонатором герметично закрываются фланцами, в которых установлены с одного конца глухое, а с противоположного – выходное зеркала.

Оптические элементы внешней схемы. Такие элементы предназначаются для формирования лазерного луча, для его расщепления (при необходимости), для направления на нужный объект и частично на измерительные приборы. В качестве примера небольшого участка внешней схемы можно рассмотреть рис.2.28, где с помощью оптического клина и глухих поворотных зеркал небольшая часть излучения направляется на измеритель мощности и измеритель интенсивности луча. В общем случае добавляются линзы, призмы, поляризаторы и другие необходимые оптические элементы.

Материалы для элементов ИК-оптики. Все оптические элементы по своему назначению разделяются на три группы. Первую группу составляют элементы, назначение которых – отражать излучение при минимальном его поглощении и рассеянии. Назначение элементов второй группы – частично отражать и частично пропускать излучение заданной длины волны опять же при минимальном поглощении. Предназначение элементов третьей группы – пропускать излучение заданной длины волны при минимальных значениях отражения и поглощения.

Отражающие элементы. К этой группе относятся «глухие» зеркала. Чаще всего для их изготовления используют медь, специальные бронзы, реже алюминий. Отражающие поверхности обрабатываются на оптических станках, где поверхности придается точная заданная форма – плоскость, сфера заданного радиуса кривизны, эллиптическая или параболическая поверхность. После механической обработки отражающая поверхность подвергается шлифовке и полировке. В последние годы начали широко применять чистовую обработку поверхностей с применением алмазного инструмента (алмазное точение). Такая обработка делает ненужными процессы шлифования и полирования. Для повышения отражательной способности поверхности и защиты ее от окисления иногда напыляется тончайший слой золота. Кроме металлов зеркала изготовляют на основе пористых диэлектриков или композитных материалов с напылением на рабочую поверхность диэлектрических отражающих покрытий. Такие зеркала эффективно охлаждаются водой (с тыльной стороны). Тем самым удается существенно повысить предельные лучевые нагрузки на отражающую поверхность. Удается достигнуть у высококачественных зеркал коэффициента отражения на длине волны лазерного излучения от 0,99 до 0,999.

Прозрачные и частично прозрачные оптические элементы для ИК области спектра изготавливаются на основе аморфных или кристаллических диэлектриков. Для длины волны СО₂ лазеров непригодны оптические стекла и ситаллы, они поглощают такое излучение в тонком поверхностном слое. Нужными свойствами обладают материалы, принадлежащие к одной из следующих трех групп: 1) ионные монокристаллы; 2) полупроводниковые кристаллы; 3) халькогенидные стекла и оптическая керамика. Данные о некоторых представителях таких материалов приведены в таблицах 2.6 – 2.8.

Список материалов, прозрачных в области спектра от 9 до 11 мкм, можно расширить. Но прозрачность – это только первая составляющая в комплекте условий, определяющих пригодность материала для изготовления из него оптических элементов, особенно когда речь идет о мощных СО₂ лазерах. Так, специалисты признают, что по всем своим характеристикам алмаз – самый лучший материал для выходных окон. Но изготовить алмазные пластины необходимых для этих целей размеров, не говоря уж об их стоимости, если бы такое стало возможным, в обозримом будущем нереально. Другой пример. На протяжении многих лет велись работы по получению КРС нужных размеров и кондиции. На эти исследования возлагались серьезные надежды и были достигнуты значительные успехи. Однако, КРС слишком мягок и пластичен, его поверхность трудно довести до нужного оптического качества. Со временем изготовленный из КРС элемент пластически деформируется. Ко всему сказанному добавляется еще одна неприятность – в основе материала заложены мышьяковистые соединения, что делает его чрезвычайно токсичным. Отсюда видно, что конструктивные и экологические требования к материалу накладывают серьезные ограничения на возможности его применения в лазерных установках.

Окно закрывает торец разрядной камеры и выполняет при этом не только оптические, но и конструкционные функции, что вносит дополнительные требования к прочности материала, к выбираемой толщине окна.

ТАБЛИЦА 2.7 Полупроводниковые кристаллы

Основная проблема зеркал и выходных окон мощных лазеров определяется неизбежным взаимодействием интенсивного когерентного излучения с поверхностями и объемом этих оптических элементов. В этой связи выбираемые для их изготовления материалы должны удовлетворять дополнительным требованиям:
- обладать как можно лучшими теплофизическими свойствами, а именно, иметь высокий коэффициент теплопроводности, высокую температуру плавления и низкий коэффициент линейного расширения;
- оптические свойства материала не должны зависеть от рабочей температуры;
- обладать минимальным коэффициентом поглощения на лазерной длине волны
- в объеме и на поверхности материала не должны присутствовать непрозрачные включения;
- иметь низкие значения фотоупругих констант.

К этим требованиям добавляют: устойчивость к воздействию внешней среды и рабочего вещества лазера; малый показатель преломления. Желательна прозрачность материала в видимой области спектра, что облегчает юстировку, и по возможности, дешевизна и технологическая простота изготовления и оптической обработки.

Материалов с перечисленными свойствами в природе не существует. Поэтому выбор подходящего материала – это всегда разумный компромисс между идеальными требованиями и реальными возможностями при детальном учете условий, в которых изделие должно работать.