Твердотельные лазеры и сравнение с газовыми.

Для транспортировки излучения твердотельного лазера используют обычно два вида оптических трактов: оптический тракт на основе зеркально-линзовых оптических элементов и световодных моно- и поливолокон с использованием фокусирующих элементов.

Стандартный оптический тракт лазерной установки состоит из элементов, транспортирующих излучение к месту обработки (зеркала, световоды), и формирующих (фокусирующих) элементов (линзы, зеркала, фоконы и др.). Сравним материалы для изготовления элементов оптического тракта, отвечающих за транспортировку излучения.

Для технологических газовых лазеров используют металлические или полупроводниковые зеркала, охлаждаемые водой. На них, как правило, нанесено защитно-просветляющее покрытие. Материалами для подложки зеркал в основном служат медь марки М00б, М0б, M1б с содержанием меди свыше 99.95 %, бронза марки БрХ08, иногда молибден и вольфрам. На поверхность зеркала наносится отражающее золотое, серебряное или защитное покрытие. На этом исчерпывается перечень материалов для изготовления оптики, транспортирующей излучение газовых лазеров. Для транспортировки излучения твердотельных лазеров используют, в основном, зеркальные системы. Стандартное зеркало для твердотельного лазера состоит из подложки и отражающего покрытия. В качестве подложки используют чаще всего кварцевое стекло, т.к. оно имеет высокую прочность и лучевую стойкость. Отражающее покрытие на такое зеркало наносится в виде тонких интерференционных пленок с числом покрытий от 3 до 5-ти. Используя специальные покрытия, можно на зеркалах выполнить системы датчиков для контроля мощности и размеров луча. Благодаря отлаженной технологии напыления тонких пленок стоимость одного зеркала незначительна и в 4-5 раз ниже стоимости зеркала для газового лазера.

Для фокусировки излучения твердотельных лазеров обычно используют проходную оптику. Анализ информации, приводимой в отечественной и зарубежной литературе, показывает, что существуют различные методики выбора материала для оптической системы твердотельного или газового лазера.

Из формулы (___) следующего раздела видно, что величина диаметра пятна в фокальной плоскости прямопропорциональна аберрационному параметру линзы (оптической системы). Аберрационный параметр оптического элемента зависит не только от соотношения радиусов кривизны оптических поверхностей, но и от показателя преломления материала, причем с ростом показателя преломления материала линзы аберрационный параметр уменьшается. Исходя из сказанного, можно утверждать, что показатель преломления материала линзы оказывает существенное влияние на аберрации оптической системы для случая использования однолинзовой фокусирующей системы.

Следует отметить, что чаще всего в лазерных технологических комплексах используют однолинзовые оптические системы. Сравним материалы для изготовления оптических элементов проходного типа, применяемые в газовых и твердотельных лазерах.

В настоящее время изготовители оптики для ближней ИК области располагают достаточно большим количеством оптических материалов, различающихся по своим свойствам. В отличие от материалов для изготовления оптики лазеров, работающих на длине волны 10.6 мкм, для твёрдотельных лазеров с длинной волны 1.06 мкм подходит почти весь спектр материалов, используемых для видимой области спектра. Основными среди них являются кварц и стекло. Абсолютное количество материалов, используемых для лазеров с длиной волны 1.06 мкм, в несколько раз превышает количество материалов для длины волны 10.6 мкм. Для использования в лазерных системах и технологических комплексах на базе газовых лазеров в основном используют полупроводники и галогениды металлов.

Кристаллические галогениды NaCL и KCL в высшей степени прозрачны на 10,6 мкм, но гигроскопичны и мягки. (В настоящее время КCl продолжает оставаться наиболее распространенным материалом для изготовления проходной оптики газовых лазеров средней мощности).

Полупроводники типа Ge, GaAs, ZnSe, CdTe химически более стойки и на них легче нанести покрытие, но они слишком дороги. Показатели преломления этих материалов имеют значения от 1.22 до 4.2 (см. таблицу 2.3). Часть перечисленных материалов прозрачны и на длине волны 1.06 мкм, однако, они практически не используются в качестве оптических элементов для твёрдотельных лазеров из-за дороговизны и недолговечности, за исключением особых случаев. На этом исчерпывается перечень материалов для изготовления фокусирующей оптики газовых лазеров.

Зеркальные системы, применяемые для фокусировки излучения большой мощности, в данном разделе не рассматриваются и не сравниваются, т.к. на данном этапе развития и в ближайшем будущем не ожидается выпуска промышленных лазеров на мощность более 2 кВт.

В отличие от проходной оптики для промышленных газовых лазеров с длинной волны 10.6 мим, материалы для изготовления линз, зеркал, призм на длину волны 1.06 мкм обладают рядом положительных свойств: они дешевы, просты в обработке, обладают высокой лучевой стойкостью и механической прочностью. На эти материалы легко наносятся разные виды покрытий (защитные, просвечивающие, отражающие). Показатель преломления материалов, используемых для длины волны 1,06 мкм, изменяется от 1,4 до 2,1 (см. таблицу 2.3). При этом имеется рекомендация о нежелательности использования материалов с показателем преломления большим 1.8 [ 92 ].

Наличие большого количества различных оптических материалов позволяет при расчете оптических систем варьировать показатель преломления в значительных пределах, что дает определенную выгоду при подборе параметров оптического элемента особенно при расчете многолинзовых оптических систем и наиболее точном приближении реальных параметров оптической системы к расчетным.

Точность подбора показателя преломления составляет 0.01 %. Необходимо отметить, что при наличии богатого выбора материалов для оптических элементов имеется возможность проводить подбор необ-ходимого материала по лучевой стойкости для каждого конкретного случая [96]. При выборе материалов для изготовления элементов внешней оптики твердотельного лазера можно руководствоваться следующими правилами:

1. Если оптическая система состоит из одного элемента, то выбор необходимо делать основываясь на результате оптического расчета, лучевой и механической прочности материала линзы. При необходимости изменения показателя преломления материала, его следует изменять, при прочих равных условиях, в большую сторону.

2. Для случая сложной оптической системы показатель преломления не является решающим фактором и может изменяться в достаточно широких пределах. Применение многолинзовых систем практически не приводит к потерям излучения за счет просветляющих покрытий, технология нанесения которых для длинны волны 1.06 мкм хорошо отработана.

Срок службы оптических элементов для твёрдотельных технологических лазеров значительно превышает срок службы оптики, применяемой для фокусировки газовых лазеров. Стоимостные характеристики простых оптических элементов для излучения с длиной волны 1,06 мкм приблизительно в 10 раз дешевле аналогичных материалов для длины волны 10,6 мкм. Характеристики материалов обычно приводят в справочниках (например см.лит.[92,93,94,95]).

Из вышеизложенного следует, что материалы , применяемые для изготовления оптических элементов твердотельных лазеров с длиной волны 1.06 мкм имеют некоторые преимущества по сравнению с материалами , используемыми для изготовления оптики газовых лазеров с длиной волны излучения 10,6 мкм, что позволяет сделать вывод о предпочтительности использования излучения твердотельных лазеров.

Таблица 2.3