ГОСТ Р 58563-2019 (ISO/TR 22588:2005) Оптика и фотоника. Лазеры и лазерное оборудование. Методы измерения поглощения оптическими компонентами

Введение

В настоящем стандарте представлены стандартные методы измерения поглощения, позволяющие избежать конфликтных ситуаций между пользователями и поставщиками оптических компонентов.

При падении лазерного пучка на оптический компонент происходит поглощение определенного количества энергии. В зависимости от интенсивности лазерного пучка и поглощающей способности материала компонента температура компонента будет повышаться неравномерно. Даже если лазерный пучок с равномерным распределением интенсивности заполняет всю площадь компонента, на поверхности будут созданы температурные градиенты. За исключением случаев, когда материал имеет незначительный коэффициент расширения, температурные градиенты приводят к формированию относительного расширения, в результате чего возникают искажение, деформация и изменение свойств двулучепреломления компонентов. Показатель преломления большинства оптических материалов также зависит от температуры. При изменении формы оптической поверхности компонента в большинстве случаев будет изменена форма и/или расходимость прошедшего и/или отраженного пучка. Если траектория пучка включает поляризатор, разветвитель пучка или дефлектор пучка, выходная мощность/энергия и/или распространение пучка в лазерной системе могут изменяться. Эти эффекты могут увеличиваться, если компонент жестко сжат. При значительной деформации на компоненте могут образоваться трещины.

Коэффициенты поглощения большинства материалов, как правило, с повышением температуры становятся только слабо нелинейными. Однако пропускающие компоненты, выполненные из полупроводящих материалов, имеют нелинейные коэффициенты поглощения с четкими пороговыми значениями, которые значительно ниже температуры плавления материала. Это явление называют "термическим разгоном", и оно эффективно ограничивает нагрузку по оптической мощности, при которой данные материалы используют. Пороговое значение термического разгона сопровождается резким увеличением поглощения, искажения и появлением тепловой линзы. Показатели преломления и коэффициенты линейного расширения чувствительны к изменениям температуры, но не обязательно имеют одинаковые знаки.

Искажение возникает при неравномерном облучении компонента, и особенно если он сильно сжат и его расширение затруднено. Материал будет расширяться вследствие тепловой нагрузки, и, если она неравномерная, компонент будет изгибаться или на нем образуется линза, что приведет к изменению формы оптической поверхности. Кроме того, в случае пропускающих компонентов существует вероятность того, что температурная зависимость показателя преломления материала приведет к эффекту тепловой линзы. В целом неравномерное расширение приводит к изменению фокусирующих свойств компонента. В случае нелинейных абсорбирующих окон и зеркал (например, Ge, ZnS и ZnSe, используемые с инфракрасными пучками) обнаружено, что рассмотренные эффекты оказывают значительное влияние на расходимость прошедшего пучка. В случае плоских отражающих интерферометрических компонентов наблюдалось образование выпуклой поверхности. На практике даже незначительное искажение лазерных компонентов приводит к изменениям расходимости и коэффициента распространения лазерного пучка, а также к потере выходной мощности излучения лазера.

Напряжение в кристаллических компонентах приводит к индуцированному двулучепреломлению и, таким образом, к изменениям свойств пропускания/отражения, в результате чего образуются флюктуации в выходных характеристиках системы. Даже однородные материалы могут демонстрировать двулучепреломление в случае неравномерной тепловой нагрузки и крепления компонента, затрудняющего расширение материала. Выходная мощность лазера с оптически тонкими лазерными стержнями с накачкой импульсной лампой в непосредственной близости со стержнем или в эллиптическом квантроне обусловлена индуцированным двулучепреломлением с круговой симметрией. Изменения в двулучепреломлении обычно приводят к изменениям пропускания лазерного луча через систему, особенно если в последовательности пучков имеются элементы, чувствительные к поляризации.

Деформация, вызванная нагревом в результате неравномерного облучения, может возникнуть даже в случае свободно установленных компонентов. Однако большую часть оптических компонентов монтируют на держателе, который используют для контроля углового положения компонента. Если данный крепеж препятствует относительному расширению, это приведет к возрастающей деформации компонента при его облучении. Когда деформация достигнет предела упругости, на компоненте образуются трещины. Возможно, это одна из главных причин чрезвычайно низких пороговых значений разрушения, вызванного лазерным излучением. В основном эффект обнаруживают в лазерных системах с высокой частотой повторения импульсов, длинными импульсами и непрерывным излучением. Деформация, вызванная нагревом в результате жесткого крепления компонента при монтаже и/или отсутствии зазора для теплового расширения, компонента или комбинации креплений, возможно, является наиболее значимой причиной отказа лазерных компонентов в составе оптической системы. Вызванная деформация приводит либо к образованию трещин в компоненте, либо к снижению тепловой нагрузки, при которой возникает плавление.

Эффекты, вызванные нагревом, сводятся к минимуму, если компонент удерживается свободно, и доводятся до максимума при сильном сжатии. Наведенное внутреннее напряжение материала может быть положительным или отрицательным в зависимости от относительной разности коэффициентов теплового расширения между держателем и компонентом. Поскольку этот фактор является определяющим, необходимо выполнить измерение с компонентом, установленным в держателе, при условиях, максимально приближенных к рабочим условиям системы и окружающей среды. На практике данный факт может сделать затруднительным или невозможным выполнение некоторых предлагаемых измерений. Таким образом, несмотря на то что измерение искажения является самым основным и актуальным, может потребоваться контроль изменений двулучепреломления или изменений коэффициента распространения прошедшего пучка. При этом определение изменения пороговых значений разрушения, вызванного лазерным излучением, между свободными и сжатыми компонентами, не будет обычным, т.к. данное разрушение является катастрофическим.

Все указанные эффекты приводят к сокращению срока службы компонента и/или изменению выходных характеристик лазерного излучения [1]. Они также формируют основной источник разногласий между поставщиками компонентов и изготовителями/пользователями лазерной системы. Как правило, эффекты обнаруживаются в случае лазерных систем с высокой частотой повторения импульсов, длинными импульсами и непрерывным излучением (например, технологические лазеры для сварки). Однако также наблюдалось их влияние на выходную мощность/энергию импульсных Nd:YAG-лазеров однократного действия с модулированной добротностью, работающих на 1,064 мкм, и на пропускание и отклоняющую способность плоских окон Ge под облучением короткими импульсами -лазера с излучением на длине волны 10,6 мкм.