Фотоника - научно-техническо списание - Фотоника - Производство на едрогабаритна оптика от
Производство (отглеждане, оптична обработка) на малки (по размер
10 mm) оптични елементи за лазерни системи днес не е трудно. Произвеждат се от много компании. Най-често срещаните традиционни методи за отглеждане на пълноценни монокристали със скорост на растеж
1 мм/ден [1.2]. Така ниска скорост е приемлива за отглеждане на малки елементи, тъй като за 6–7 месеца може да израсте кристал с размер 100 × 100 × 150 mm, от който (в зависимост от размера и ориентацията) могат да бъдат направени до няколкостотин елемента. Следователно, малък производствен обект за 10 устройства е в състояние да покрие нуждите на определен пазарен сегмент.
Сложността на производството и съответно цената на елементите се увеличава рязко с увеличаване на техния размер. По този начин, при традиционното производство на оптични елементи с отвор
200 × 200 mm отнема около година, за да се отгледа един „кристал от бул“, а добивът на заготовки от такъв бул обикновено не надвишава 30%. Трябва да се има предвид, че когато се отглеждат големи кристали, обемът на необходимото оборудване и химикали се увеличава. Увеличението на разходите е особено забележимо при отглеждане на кристали от скъпи разтвори за тежка вода - например кристали DKDP, отгледани от разтвори на базата на тежка вода D2O. Следователно традиционните методи за отглеждане на кристали за лазерни системи с отвор на светлинния лъч над 150-200 mm са практически неприложими.
Подобна е ситуацията и с оптичната обработка. Докато малките елементи могат лесно да бъдат обработени чрез традиционни методи за полиране, елементи с отвор> 100 mm и дебелина 10–20 mm не могат да бъдат обработени с необходимото качество. Междувременно съвременните технологии изискват оптични елементи с отвор до
400 × 400 мм и дебелина
10 мм. Ясно е, че производството на такива елементи изисква принципно различен подход, особено на етапите на отглеждане на кристални заготовки и тяхното завършване.
Трябва да се подчертае, че пазарът на големи кристални оптики е много ограничен и само няколко държави (САЩ, Франция, Япония, Китай, Русия) могат да си позволят да изграждат лазерни комплекси, където се използват такива елементи. Разходите за такива проекти са много високи.
В Русия обаче дори в трудни за развитието на науката години, развитието и модернизацията на мощни лазерни комплекси (Искра-5,6 [3–5], Луч [4,5]) продължи. Това е допустимо само при условие, че цената на основните единици инсталации (например кристални елементи) е значително по-ниска от световните и е възможна само когато се използват високотехнологични решения за отглеждане на кристали и тяхната обработка.
Бърз растеж на кристали
Ето някои примери за внедряване на широкоразмерна оптика, базирана на високоскоростни кристали KDP. Те, разбира се, не изчерпват списъка с възможните приложения на тези технологии за отглеждане на други VRC, Na (NO3) 2, BaNO3, LiIO3 и т.н.
Преобразуватели на радиационна честота
В началото на 80-те години на миналия век Институтът по приложна физика на Академията на науките на СССР предложи технологията за високоскоростно (със скорост двадесет пъти по-висока от обичайната - до 0,5 mm/h) отглеждане на кристали KDP [ 6,7]. В този случай не е бил отгледан пълноценен кристал, а заготовка, която е била възможно най-близка по геометрия и ориентация до бъдещия елемент. Отглежда се предимно с едно лице (101) или (100), в зависимост от ориентацията и предназначението на бъдещия елемент. За прилагане на този метод на отглеждане беше създаден принципно нов кристализатор [8], където кристалът растеше в специална камера и разтворът непрекъснато се подаваше към нарастващата повърхност от помпа с подаващо устройство (фиг. 1). За да се осигури еднаквост на захранването, модулът за подаване на помпа периодично се люлееше, измивайки нарастващия кристален лик с пресен разтвор. Подобна схема на отглеждане в различни модификации все още се използва успешно.
Едновременно с това започна разработването на нов метод за оптична обработка на кристали: диамантено микро фрезоване на домашни машини от тип PL-600.
В резултат на това в края на 80-те години стана възможно превключването на една от най-големите инсталации Iskra-4 (йоден лазер с λ = 1,315 μm) на втория и третия режим на генериране на хармоника [9, 10]. Лазерният лъч с голямо сечение беше блокиран от мозаечен (2 × 2 елемента) честотен умножител тип II (взаимодействие от типа oee), направен от DKDP кристал. Празен кристал на бъдещия елемент беше отгледан от лицето (101) под формата на правоъгълен блок, първо с напречно сечение 150 × 150,
и след това 210 × 210 mm и 30–70 mm високи. Оптичната ос на кристала беше ориентирана към оста на кристала под ъгъл от 43 °, който се различава с 9 ° от посоката на фазовото съвпадение за генериране на втора хармоника. За да се получи фазово съвпадение, всеки елемент е инсталиран под подходящ ъгъл (
15 °) към посоката на гредата (така наречените "скосени" елементи). Както е показано в [11], свойствата на генерирането на радиация в такива елементи не се различават от обикновените. С този подход беше възможно значително да се намали времето за растеж на кристалния блок и практически да се елиминират отпадъците.
Практиката показва, че производствената цена на „наклонен“ честотен множител от DKDP кристал, отгледан по високоскоростен метод, е с порядък по-малка от същия елемент, произведен по традиционни методи със същите параметри (ефективност на преобразувателя, оптична стабилност, фронт на вълната изкривяване). Високата ефективност на новата технология доведе до успеха на програмата за генериране на хармоници. В началото на 21 век инсталацията Iskra-5 също беше успешно прехвърлена в режим на генериране на хармоници.
(λ = 1,315 μm) [3]. Тук всеки лъч беше покрит от един скосен DKDP кристален елемент с диаметър на светлината 350 mm.
Към момента фундаментално новите конструкции на основните звена на кристализаторите (помпи с хранилки, растежни клетки) и новите техники позволиха да се увеличи времето на стабилен растеж до няколко месеца. Това направи възможно преминаването от нарастващи не особено удобни "скосени" елементи към нарастващи елементи, където посоката на нормала към работната повърхност е близка до посоката на съвпадение на фазите за основната хармоника на лазерното лъчение. Тази технология дава възможност за отглеждане на кристали на заготовки с практически всякаква ориентация и тип на съвпадение на фазите (множители от тип I и II, клетки на Pockels, фазови плочи) и е използвана за оборудване на инсталации с размер на лъча 200 × 200 mm с кристална оптика. Днес той позволява отглеждане на кристали с размер до 400 × 400 mm (фиг. 2).
Елементи на параметрични усилватели на фемтосекундни петаватни системи
Понастоящем активно се разработва техниката за генериране на фемтосекундни лазерни импулси с терават мощност. Използването на параметрични усилватели (PU) на базата на DKDP кристали в тези системи е обещаващо. Това изисква създаването на елементи с отвор до 400 × 400 mm и дължина до 100 mm. Днес IAP RAS е произвел елементи с отвор 100 × 100 mm, което направи възможно получаването на много мощни фемтосекундни импулси с λ = 911 nm [12] (тече работа по елементи с отвор 200 × 200 mm). Елементите са направени от кристали DKDP за фемтосекундни PU с отвор 300 × 300 mm, върху които се планира да се получи изходна мощност на ниво петават (1015 W).
10 мм.
Клетките на Pockels с отвори 100 × 100 mm и 300 × 300 mm са произведени в IAP RAS на базата на кристали DKDP, отгледани по високоскоростна технология (фиг. 3).
Фазови плочи
Фазовите плочи обикновено се изработват от кристален кварц и исландски шпат. Обаче е проблематично да се получат от тях елементи с голям отвор (≥50 × 50 mm). Най-добрият вариант е да използвате KDP кристали за това. Те имат приемлива оптична анизотропия и се произвеждат в почти всякакви размери,
а по отношение на оптичната еднородност и силата на лазера те не отстъпват на традиционните материали. Техният недостатък е необходимостта от защита на оптичните повърхности от влиянието на атмосферата, но съвременните технологии за нанасяне на тънкослойни покрития могат успешно да разрешат този проблем. В IAP RAS са произведени фазови плочи с отвор до 350 × 350 mm, които се експлоатират успешно.
Обработка на кристална оптика от VRK
Продуктите от VRK изискват специфични техники за обработка [15]. Производството на размерна оптика - плочи с високо съотношение L/D - също създава значителни трудности при обработката с конвенционални методи за полиране. Следователно, в IAP RAS, паралелно с разработването на нови методи за отглеждане на кристали, бяха разработени технологии и оборудване за рязане и прецизна обработка на кристали с диамантени инструменти. Произведени са оригинални машини за рязане на цялостните (до 500 мм) кристали с лентов диамантен трион. Рязането на машини е изключително надеждно и почти напълно без отпадъци. Завършването на оптичната обработка се извършва чрез микрофолиране с диамантена фреза с помощта на машини PL-600. Основните му възли, които осигуряват точността и чистотата на обработката, са прецизирани, определена е оптималната геометрия на диамантената фреза, разработени са методи за закрепване на части и са разработени режими на рязане. Това даде възможност да се извърши обработка на диамантено микро фрезоване с оптична прецизност: микронерови до 2 nm и неравномерност до 0,2 μm (фиг. 4 и 5) - за части, изработени от кристали KDP и DKDP с напречно сечение от 40 × 40 до 400 × 400 mm и височина от 10 до 100 mm (с допустима дебелина на плочата
През последните 10 години е разработена високоефективна и икономична технология за производство на оптични части от кристали KDP и DKDP (и, ако е необходимо, от други кристали) с всякаква ориентация и геометрия на напречното сечение до 400 × 400 mm в IAP RAS. Качеството на частите отговаря на всички изисквания на съвременните мощни лазерни системи в оптичния диапазон. Имайте предвид, че развитието на технологията за производство на части от кристали KDP ни позволява да ги предлагаме не само за нелинейни оптични продукти (честотни умножители, електрооптични капаци), но и за линейни оптични продукти (фазови плочи с голяма апертура, кристални елементи на клетките на Pockels). Такива елементи могат да бъдат произведени в почти всякакъв размер, а наличните технологии за нанасяне на тънкослойни защитни покрития им позволяват да работят дълго време при нормални условия.
Литература