Фосфатное стекло для поглощающих оболочек дисковых активных элементов

Изобретение относится к оптическим материалам для мощных высокоэнергетических импульсных усилительных установок. Такими материалами являются фосфатные стекла особых составов, из которых изготавливаются поглощающие оболочки (ПО) для приклеивания к боковым граням крупногабаритных дисковых активных элементов (ДАЭ), выполненных из концентрированных неодимовых фосфатных стекол. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности согласовать медьсодержащее фосфатное стекло для ПО с неодимовым фосфатным стеклом по таким параметрам, как показатель преломления и коэффициент термического расширения стекла. Состав стекла включает в мас.%: P₂O₅ 57,53-63,29, SiO₂ 1,46-1,99, B₂O₃ 0,91-1,10, Na₂O 2,88-3,02, K₂O 4,92-5,10, Al₂O₃ 4,22-6,56, CaO 0.48-0.51, BaO 8,02-18,03, SrO 0,21-8,95, Nd₂O₃ 3,49-3,64, CuO 0,15-0,28 (сверх 100 мас.%). 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к оптическим материалам для мощных высокоэнергетических импульсных усилительных установок. Из таких материалов изготавливаются поглощающие оболочки (ПО) крупногабаритных дисковых активных элементов (ДАЭ), выполненных из концентрированных неодимовых фосфатных стекол.

После каждого импульса ламп накачки в объеме ДАЭ наряду с полезным усилением излучения в требуемом направлении во все стороны распространяются кванты света люминесценции, которые вызывают в нем паразитную генерацию излучения. Это приводит к значительному снижению коэффициента усиления излучения в рабочем направлении. При этом наибольшую опасность представляют те кванты света люминесценции, которые распространяются вдоль больших полированных плоскостей ДАЭ. Если толщина ДАЭ много меньше его поперечных размеров, то значительная доля таких квантов будет испытывать полное внутреннее отражение от больших граней ДАЭ, достигнет его боковых граней и, рассеиваясь на них, снова вернется в объем ДАЭ и только усилит названный отрицательный эффект. Чтобы исключить такое рассеяние, боковые грани ДАЭ оклеиваются оболочками из специального стекла, показатель преломления которого близок показателю преломления стекла самого ДАЭ. Такие оболочки поглощают дошедшие до них кванты света люминесценции. Для предотвращения же полного внутреннего отражения квантов света люминесценции на границе «ДАЭ-ПО» материал ПО должен иметь показатель преломления, n_ПО, превышающий показатель преломления материала ДАЭ, n_ДАЭ. В итоге, при выполнении этих условий, чем больше квантов света люминесценции, дошедших до поглощающих оболочек, войдет в них и поглотится ими, тем меньше их отразится или рассеется обратно во внутренний объем ДАЭ, тем эффективнее работа поглощающих оболочек, тем меньше снижение коэффициента усиления излучения.

Известны технические решения, характеризующие составы стекол, используемых в качестве ПО в лазерных системах с дисковыми активными элементами.

В патенте US №4217382 «Стекло для поглощающих оболочек стекла дискового лазера», опубликованном 12.08.1980 по индексам МПК: C03C 3/17, C03C 3/19, C03C 4/00, C03C 4/12, C03C 8/08, H01S 3/07, H01S 3/17, описан состав стекла (мас.%) (64-76) P₂O₅; (3.5-7.5) Al₂O₃; (0-3.0) B₂O₃; (2.5-16.5) K₂O, (0-8.5) Na₂O, (0-3.5) Li₂O при (11.5-20.5) K₂O+Na₂O+Li₂O; (1.4-13.5) CuO, (0-11.5) ZnO, (0-2.0) MgO при (4.7-13.5) CuO+ZnO+MgO, представляющий материал для ПО дисковых активных элементов из фторофосфатного стекла. Этот материал характеризуется низкой температурой размягчения (от 380 до 450°C), высоким КТР (от 140·10^-7 до 175·10^-7 К^-1) и высоким коэффициентом поглощения генерируемого лазером излучения (от 25 до 180 см^-1 при длинах волн генерации от 1.051 до 1.054 мкм), показателем преломления, лежащим в диапазоне от 1.44 до 1.48. Данный материал обеспечивает полное поглощение квантов света люминесценции, предотвращая их рассеяние обратно в ДАЭ. Порошок из разработанного стекла разогревается до температуры размягчения, при которой еще не наблюдается размягчения стекла ДАЭ, и таким образом после остывания ПО оказывается прикрепленной к ДАЭ. Такой метод соединения ПО и ДАЭ оставляет в объеме ПО большое количество пузырей, на которых происходит рассеяние квантов света люминесценции, вошедших в объем ПО.

В данном техническом решении имеется ряд недостатков. Во-первых, стекло с полученным столь низким значением КТР не может использоваться для изготовления ПО для ДАЭ, выполненных из неодимовых фосфатных стекол, которые характеризуются более высоким показателем преломления. Во-вторых, при столь высоких значениях коэффициента поглощения генерируемого излучения ПО будут сильно нагреваться, из-за чего вблизи границы раздела сред «ДАЭ-ПО» в объеме ДАЭ будут иметь место термомеханические напряжения, которые приведут к двулучепреломлению и - как следствие - к ухудшению качества волнового фронта генерируемого или усиливаемого излучения. В-третьих, конструкторы мощных лазеров накладывают жесткие ограничения на пузырность стекла для ПО: чем меньше пузырей и чем меньше их диаметр, тем меньше вероятность рассеяния излучения пузырями обратно в объем ДАЭ, тем больше подходит стекло для изготовления ПО для ДАЭ современных мощных высокоэнергетических усилителей излучения.

В патенте US №5508235 «Стеклокерамика для поглощающих оболочек для использования в мощных лазерах», опубликованном 16.04.1996 по индексам МПК: C03C 10/04, C03C 10/12, C03C 13/04, C03C 4/00, описан состав стеклокерамики на основе фосфорно-силикатного стекла, включающий 17 компонентов, в том числе добавки (мас.%) оксидов меди (0-3) и железа (0-1). Стеклокерамика характеризуется близким к нулю КТР в диапазоне температур от 0 до 50°C, коэффициентом поглощения излучения на длине волны 1.06 мкм до 5 см^-1 и показателем преломления, лежащим в зависимости от состава конкретного стекла в диапазоне от 1.54237 до 1.54355. Данный материал обеспечивает требуемое поглощение излучения на длине волны генерации при его использовании в качестве ПО активных элементов мощных лазеров и, кроме того, может использоваться как ослабитель пучка при измерениях уровня энергии лазерного излучения или как поглотитель неиспользованной энергии лазера.

Несмотря на приемлемые значения показателя преломления полученной стеклокерамики недостатком данного технического решения является то, что он имеет слишком низкий КТР, поэтому не может быть использован в лазерах на основе ДАЭ из фосфатных стекол.

В работе Арбузова В.И., Вахмянина К.П., Волынкина В.М. и др. «Поглощающее покрытие для крупногабаритных дисковых активных элементов из неодимового фосфатного стекла КГСС-0180/35 для лазерных усилителей // Оптический журнал. 2002. Т. 69, №1. С. 16-20» в качестве основы для стекла ПО была выбрана матрица алюмокалиевобариевофосфатного стекла КГСС-180/35, из которого изготавливались ДАЭ для мощных импульсных усилителей излучения. В стекло основы вводился оксид меди CuO в количестве от 0,18 до 1,0 мас.%, поскольку было известно, что двухвалентная медь обладает интенсивным поглощением в ближней ИК области спектра (см. Вейнберг Т.И. Окраска фосфатных стекол // Труды ГОИ. 1963. Т. 31, №160. С. 224-236). Удельный коэффициент поглощения составил примерно 8.4 см^-1/мас.% CuO. Было показано, что a _1.054 в стеклах линейно зависит от концентрации CuO, что позволило определить рабочую концентрацию оксида меди, обеспечивающую требуемое значение а _1.054≤2 см^-1 десятичного коэффициента поглощения на длине волны генерации (1.054 мкм). Показатель преломления разработанного стекла для ПО, n_e, оказался равным 1.537, т.е. на 0.005 выше показателя преломления стекла КГСС 0180/35, равного 1.532. Разработанное стекло было также согласовано со стеклом ДАЭ по коэффициенту термического расширения.

За прототип предлагаемого изобретения принято стекло, описанное в работе Арбузова В.И., Вахмянина К.П., Волынкина В.М. и др. «Поглощающее покрытие для крупногабаритных дисковых активных элементов из неодимового фосфатного стекла КГСС-0180/35 для лазерных усилителей // Оптический журнал. 2002. Т. 69, №1. С. 16-20»

В данном техническом решении имеется недостаток, заключающийся в том, что стекло с полученным значением показателя преломления может использоваться для изготовления ПО для ДАЭ, выполненных из неодимовых фосфатных стекол со сравнительно низким значением показателя преломления (n_e≤1.537). Для неодимовых фосфатных стекол с более высоким показателем преломления следует разрабатывать новое стекло для ПО, согласованное со стеклами для ДАЭ, прежде всего, по значению n_e.

Задача нового изобретения состоит в создании нового стекла для ПО, показатель преломления которого будет превышать показатель преломления материала ДАЭ. Состав стекла должен обеспечить также снижение склонности стекла к кристаллизации, повышение его химической стойкости, а для обеспечения требуемого коэффициента поглощения излучения на длине волны генерации неодимовых лазеров он должен содержать определенное количество оксида меди.

Задача решается в новом составе фосфатного стекла для поглощающих оболочек дисковых активных элементов из неодимовых фосфатных стекол, которое включает в себя в мас.%: P₂O₅ (57,53-3,29), SiO₂ (1,46-1,99), B₂O₃ (0,91-1,10), Na₂O (2,88-3,02), K₂O (4,92-5,10), Al₂O₃ (4,22-6,56), CaO (0.48-0.51), BaO (8,02-18,03), SrO(0,21-8,95), Nd₂O₃ (3,49-3,64), CuO (0,15-0,28 (сверх 100 мас.% основы стекла)).

Технический результат изобретения состоит в обеспечении возможности согласовать медьсодержащее фосфатное стекло для ПО с неодимовым фосфатным стеклом, из которого изготавливаются ДАЭ, по таким важным параметрам, обеспечиваемым составом стекла, как показатель преломления, n, линейный коэффициент термического расширения, α, а также получить требуемое значение десятичного коэффициента поглощения излучения на длине волны генерации 1.054 мкм, а _1.054.

В качестве отправного матричного стекла для ПО было выбрано фосфатное стекло на основе смеси метафосфатов элементов I-III групп таблицы Д.И. Менделеева. Его состав должен был быть таким, чтобы обеспечить требуемую разницу показателей преломления у стекол для ПО и ДАЭ (Δn=(n_ПО-n_ДАЭ)≤0,01). Поставленная задача решалась путем увеличения относительной массовой доли компонентов с большей удельной рефракцией (SrO, ВаО, Nd₂O₃) (см. Щавелев О.С., Бабкина В.А. Система расчета оптических и термооптических свойств фосфатных стекол по их химическому составу // Физика и химия стекла. 1977. Т. 3. С. 519-523).

При такой модификации состава необходимо было обеспечить и разницу коэффициентов термического расширения (Δα=(α_ПО-α_ДАЭ)≤10*10^-7 К), чтобы свести к минимуму напряжения в месте контакта ПО и ДАЭ из-за их разного нагрева излучением накачки и квантами света люминесценции (ПО) или только излучением накачки (ДАЭ).

В качестве поглощающей добавки выбран оксид меди (II), поскольку ионы Cu²⁺ обладают интенсивной полосой поглощения в ближней ИК-области спектра. Зависимость а _1.054 от концентрации CuO исследована в упомянутой выше работе (см. Арбузов В.И., Вахмянин К.П., Волынкин В.М. и др. «Поглощающее покрытие для крупногабаритных дисковых активных элементов из неодимового фосфатного стекла КГСС-0180/35 для лазерных усилителей // Оптический журнал. 2002. Т. 69, №1. с. 16-20).

С учетом аналогичных зависимостей для разработанных составов матричного стекла для ПО было показано, что при варьировании в них концентрации CuO от 0,15 до 0,28 мас.% хорошо выполняется требуемое конструкторами усилительных установок условие 1,2 см^-1<a _1.054<2,0 см^-1 (см. чертеж). При этом оказалось, что с высокой степенью точности для стекол всех поисковых составов, представленных в таблице, воспроизводилась одна и та же зависимость коэффициента поглощения а _1.054 от концентрации вводимого в состав стекол оксида меди, представленная на чертеже.

К другим важным параметрам медьсодержащего стекла для ПО, определяемым технологией его получения, относятся класс и категория пузырности (не хуже 5В по ГОСТ 23136-93: не более 30 пузырей диаметром до 0.5 мм в 1 кг стекла) и двулучепреломление - не более 15 нм/см.

Технологически задача изобретения решена таким образом, что в зависимости от типа исходных химических реактивов (в основном квалификации Ч) стекло может быть произведено двумя способами. В первом случае стекло варят из смеси ортофосфорной и борной кислот; карбонатов калия, натрия, кальция, стронция, бария; оксидов кремния, неодима и меди; гидроксида алюминия. Во втором случае для варки используют метафосфаты калия, натрия, алюминия, стронция, бария; борную кислоту; пирофосфат кремния; оксиды неодима и меди. Состав стекла остается одним и тем же при обоих способах получения стекла.

Правильность выбора концентрации добавки CuO в количестве 0.15-0.28 мас.% сверх 100 мас.% основы стекла при проведении поисковых варок была подтверждена полученными значениями а _1.054, лежащими в диапазоне от 1,11 до 2,12 см^-1 (см. график зависимости а _1.054 от концентрации оксида меди, введенного в разработанные фосфатные стекла, представленный на чертеже), что близко к требованиям конструкторов (1,2 см^-1<a _1.054<2,0 см^-1) для многих практических приложений стекол для ПО, используемых в производстве ДАЭ мощных высокоэнергетических усилительных установок.

На чертеже представлен график зависимости коэффициента излучения с длиной волны 1,054 мкм, а _1.054, от концентрации оксида меди, введенного в разработанные фосфатные стекла.

В таблице представлены составы заявляемого стекла и данные по показателю преломления, а также о диапазонах изменения значений a _1.054 при варьировании концентрации оксида меди.

Технический результат нового стекла доказан исследованиями стекол с заявленными диапазонами изменения составляющих его компонентов. Для демонстрации более широкого набора свойств разработанных стекол была проведена серия из 12 опытных варок стекла с количеством компонентов, указанных в составе №5 таблицы.

Отливки стекла отжигались по стандартной процедуре. Из полученного стекла изготавливались образцы для измерения приводимых ниже значений физических величин, которые являются результатом усреднения данных, полученных в результате измерений.

Показатель преломления n_e=1.544±0.001.

Коэффициент термического расширения для диапазона температур (20-300)°C, α_20-300=(118±3)^,10^-7 К^-1.

Десятичный коэффициент поглощения излучения на длине волны 1.054 мкм 1,11 см^-1<a _1.054<2.12 см^-1 при концентрации оксида меди от 0.15 до 0.28 мас.%, десятичный коэффициент удельного поглощения 7.5 см^-1/мас.% CuO.

Двулучепреломление <15 нм/см.

Пузырность - не хуже 5В по ГОСТ 23136-93.

Плотность - 2.900 г/см³.

Температура отжига - 500°C.

Стекло характеризуется высокой кристаллизационной стойкостью. Так, при его выдержке в течение 24 часов при температурах от 750 до 1000°C кристаллы не обнаруживаются ни на поверхности, ни в объеме образцов. Этому способствует наличие в составе стекла таких компонентов, как B₂O₃, SiO₂ и Al₂O₃ (см, например, книгу Алексеева Н.Е., Гапонцева В.П., Жаботинского М.Е., Кравченко В.Б. и Рудницкого Ю.П., «Лазерные фосфатные стекла // Москва: Наука. 1980. - 352 с.). Эти же компоненты улучшают механическую прочность, а также химическую устойчивость стекла. Кроме того, наличие алюминия в сетке стекла компенсирует в некоторой степени увеличение КТР, вызываемое высокорефрактивными элементами (Ва, Sr, Nd), что позволяет выполнить требования по соотношению у стекол ПО и ДАЭ значений не только показателя преломления, но и КТР.

Фосфатное стекло для поглощающих оболочек дисковых активных элементов, включающее в себя P₂O₅, SiO₂, В₂О₃, Na₂O, K₂O, Al₂O₃, CaO, SrO, BaO, Nd₂O₃ и CuO при следующем содержании компонентов в мас.%:
K₂O - 4,92-5,10
Na₂O - 2,88-3,02
Al₂O₃ - 4,22-6,56
CaO - 0,48-0,51
SrO - 0,21-8,95
BaO - 8,02-18,03
B₂O₃ - 0,91-1,10
SiO₂ - 1,46-1,99
Nd₂O₃ - 3,49-3,64
P₂O₅ - 57,53-63,29
CuO - 0,15-0,28 (сверх 100 мас.% основы стекла).