Полимерная композиция для элементов силовой оптики лазеров

 

Изобретение относится к области разработки лазеропрочных полимерных материалов и может быть использовано для изготовления элементов силовой оптики мощных лазеров, таких как линзы, призмы, пластинки и др. Полимерная композиция имеет следующий состав, об.%:

модифицирующая добавка,  выбранная из группы, содержащей  алкилзамещенные фосфаты,  фосфиты, фосфонаты, дифосфонаты5-25 полиметилметакрилатостальное

Достигается неизменность геометрических характеристик элементов в диапазоне от -50 до 50°С при сохранении многократной лазерной прочности. 1 табл.

Предполагаемое изобретение относится к области разработки лазеропрочных полимерных материалов и может быть использовано для изготовления элементов силовой оптики мощных лазеров, таких как, например, линзы, призмы, пластинки и др.

Известные оптические прозрачные полимеры: полистирол, полиметилметакрилат, поликарбонат и др., широко применяемые для изготовления различных элементов обычной оптики, оказались непригодными для изготовления элементов силовой оптики мощных лазеров из-за своей низкой многократной лазерной прочности [J. Appl. Phys., 1969, v. 40, р. 3954].

Известен оптически прозрачный полимерный материал с повышенной лазерной прочностью на основе алкилпроизводных ω-оксикарбонилоксиэтиленметакрилата общей формулы

,

где R=C₁-C₄, (ПМОК).

[См. авт. св. СССР №1840103, МКИ-2, C 08 F].

Такой полимерный материал характеризуется высокой многократной лазерной прочностью: при интенсивности излучения J=0,8 J_d (J_d - лазерная прочность при однократном воздействии) многократная лазерная прочность N≥200 импульсов излучения.

В то же время этому полимерному материалу присущ существенный недостаток - низкая стабильность геометрических характеристик элементов на его основе в диапазоне температур от -50 до +50°С (см. таблицу), что связано с низкой температурой размягчения полимерного материала. Этот недостаток в сильной степени ограничивает возможности использования ПМОК для изготовления элементов силовой оптики (к которым предъявляются жесткие требования по стабильности геометрических характеристик при резком перепаде температур).

Целью предлагаемого изобретения является создание полимерного материала для элементов силовой оптики лазеров, обеспечивающего стабильность геометрических характеристик элементов в диапазоне температур от +50 до -50°С при сохранении требуемой многократной лазерной прочности.

Эта цель достигается тем, что в качестве полимерного материала используют полиметилметакрилат, модифицированный добавкой, выбранной из классов алкилзамещенных фосфатов, фосфитов, дифосфатов, дифосфонатов, фосфонатов общих формул

где R₁=H, CH₃÷C ₅H₁₁

R₂=CH₃÷C ₅H₁₁, n=2÷6

R₃=CH ₃÷C₅H₁₁,

при следующем соотношении компонентов, об.%:

модифицирующая добавка из классов  алкилпроизводных фосфатов,  фосфитов, дифосфатов,  дифосфонатов или фосфонатов5-25 полиметилметакрилатостальное

Использование предлагаемого состава позволяет существенно повысить стабильность геометрических характеристик элементов на его основе в диапазоне температур -50 - +50°С при обеспечении высокой многократной лазерной прочности (см. таблицу).

Заявляемый состав полимерного материала может быть получен блочной радикальной полимеризацией смеси, состоящей из метилметакрилата (ММА), модифицирующей добавки и инициатора, например перекиси бензоила (0,1 вес.%), при температуре 50-100°С в течение 5-12 час.

Для лучшего понимания сущности предлагаемого изобретения приводятся следующие примеры получения заявляемого состава, изготовления на его основе элементов силовой оптики, геометрические характеристики этих элементов и их лазерная прочность Р_d(N).

Пример 1. В стеклянную ампулу объемом 100 мл заливают полимеризационную смесь, состоящую из 80 мл ММА (80 об.%), 20 мл (20 об.%) триэтилфосфата (R₁=R ₂=R₃=C₂H₅) и 0,1 вес.% перекиси бензоила. Ампулу дегазируют, запаивают. Полимеризацию проводят при 50°С в течение 12 час. После завершения полимеризации извлекают из ампулы полученный полимерный материал и изготавливают из него методом шлифовки и полировки линзу со следующими характеристиками: диаметр 30 мм, фокусное расстояние F=100 см. В диапазоне температур +50 и -50°С линза имела характеристики, представленные в таблице. Многократная лазерная прочность полученного полимерного материала P_d(N) оценивалась по плотности энергии излучения, приводящей к образованию макроразрушений размером >100 мкм за 200 импульсов облучения.

Примеры 2-32. Методика получения полимерного материала аналогична описанной в примере 1. Данные о составе, геометрических характеристиках элементов при различных температурах и многократной лазерной прочности приведены в таблице.

  Компонентный состав, геометрические характеристики элементов при различных температурах и данных о многократной лазерной прочности Пример Состав полимерного материала (ПММА=100% - [добавка]%)  P_d (N)*, Геометрические характеристики элемента**Тип элемента Температура Модифицирующая добавкаСодержание, об.%комнатная +50°C-50°C классR ₁R₂ R₃n 12 345 678 9ΘN ΘNΘN 1фосфатыC ₂H₅C ₂H₅C ₂H₅- 2020линза F=100F=100 F=1002-"- H-"- -"--20 23пластинка 0,530,5 30,5 33-"- CH₃ -"--"-- 2022 -"-1 212 12 4-"- CH₃CH ₃CH₃ -107 -"-0,5 20,52 0,52 5-"- C₅H₁₁ C₅H₁₁ C₅H₁₁ -2015 клинα=2°α=2°α=2°6 -"-C₂H ₅C₂H ₅CH₃ -53 пластинка0,5 10,51 0,51 7-"- -"--"--"- -25 30линза F=100F=100 F=1008фосфиты HC₂ H₅C ₂H₅- 106пластинка 0,24 0,240,2 49 -"-CH₃ CH₃CH ₃-10 8-"- 0,250,2 50,2 510-"- -"--"- -"--5 4-"- 010 10 111-"- C₅H₁₁ C₅H ₁₁C₅H ₁₁-25 18линза F=100F=100 F=10012фосфиты C₂H₅ CH₃ CH₃- 107пластинка 13 13 1313 фосфонатыH CH₃CH ₃-10 10-"-0,6 20,6 20,62 14-"- CH₃ -"--"-- 109 -"-0,3 40,34 0,34 15-"- C₂H₅ C₂H₅ C₂H₅ -108 -"-0,5 50,55 0,55 16-"- C₅H₁₁ C₅H₁₁ C₅H₁₁ -105 -"-0,5 50,55 0,55 17-"- -"-C₂H ₅CH₃ -53 -"-1 111 11 18-"- -"--"--"- -25 27клинα=2°α=2°α=2°19 дифосфаты-CH ₃CH₃ 21010 пластина0 202 02 20-"- -C₂H ₅C₂H ₅210 7-"-0,5 30,5 30,53 21-"- -C₅ H₁₁C ₅H₁₁2 105-"- 0,630,6 30,6 322 -"--C ₂H₅CH ₃410 8-"-0,3 20,3 20,32 23-"- --"- -"-610 10-"-0 505 05 24-"- --"--"- 25 2-"-1 414 14 25-"- --"--"- 225 28клинα=2°α=2°α=2°26 дифосфонаты-CH ₃CH₃ 2108 пластина0,5 40,54 0,54 27-"- -CH₃ C₂H₅ 2107 -"-0,6 00,60 0,60 28-"- -C₅H ₁₁C₅H ₁₁210 5-"-0,5 20,5 20,52 29дифосфонаты -C₂ H₅C ₂H₅4 109пластина 0,310,3 10,3 130 -"---"- -"-6 1010-"- 14 14 1431 -"-- -"--"-2 54 -"-0,5 50,55 0,55 32-"- --"--"- 225 30линза F=100F=100 F=100Прототипы - полиметил-ω-оксикарбонилоксиэтилен-α-метакрилат- 10015пластина Θ=0,5Θ=1,0Θ=0,5      N≥3N>300 N=3* Pd(N) - минимальное значение прочности энергии излучения, при которой в образце возникают разрушения за 200 облучений** F - фокусное расстояние линзы (см)α - угол клиновидной пластины (град)Θ - непараллельность рабочих поверхностей (угл. мин) N - неплоскостность рабочих поверхностей.

Как следует из данных, приведенных в таблице, применение заявляемого состава для изготовления элементов силовой оптики лазеров обеспечивает неизменность геометрических характеристик элементов в диапазоне температур от -50 до +50°С в отличие от прототипа, для которого геометрические характеристики существенно изменяются (N - в 100 раз, Θ - в 2 раза). В то же время заявляемый состав обладает требуемой многократной лазерной прочностью. Все это делает весьма перспективным применение заявляемого состава полимерного материала для изготовления элементов силовой оптики мощных лазеров.

Базовый объект совпадает с прототипом изобретения.

Формула изобретения

Полимерная композиция для элементов силовой оптики лазеров на основе оптически прозрачного полимера метакрилатного ряда, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения неизменности геометрических характеристик элементов в диапазоне от -50 до +50°С при сохранении многократной лазерной прочности, она содержит в качестве полимера полиметилметакрилат, а также дополнительно содержит модифицирующую добавку, выбранную из группы, содержащей алкилзамещенные фосфаты, фосфиты, фосфонаты, дифосфонаты при следующем соотношении компонентов, об.%:

Модифицирующая добавка 5-25Полиметилметакрилат Остальное