Материалы лазерной техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступление

С момента создания первого лазера Теодором Майманом и по сегодняшний день прошло 62 года. Но как и в те времена, сейчас один из главных вопросов, которые инженеры себе задают: «Из каких материалов делать лазер?». Простейший лазер состоит из нескольких частей, это активная среда, система накачки и оптический резонатор. Помимо основного, лазеру нужен корпус и электроника для управления разного рода системами, начиная от регулирования напряжения и заканчивая выходной длинной волны излучения. И для всего этого нужны специальные материалы, удовлетворяющие определенным параметрам. Например:

1. Постоянство размеров или малые изменения размеров деталей под действием высоких темпаратур (темпаретурный коэффицент линейного расширения - ТКЛР)

2. Высокая износостойкость

3. Устойчивость против коррозии

4. Отсутсвие деформации в течение всего периода эксплуатации (измерительные приборы)

5. Обеспечение высокой гермитичности узлов

6. Малое выделение газов в вакууме

7. Малая шерховатость после механической обработки деталей

8. Обеспечение высокой демпфирующей способности

9. Возможность работать при низких температурах

Таким требованиям удовлетворяют легированные стали, цветные сплавы, композиционные материалы на металлической и неметаллической основе и аморфные металлические материалы.

В экстремальных условиях требования к материалам растут: высокий вакуум и радиация, потеря смазки и сублимация, способность выдерживать перегрузки, вибрации и резкие перепады температур. Все это требует применения сложных материалов.

Я считаю, что данная работа поможет разобртаться мне и остальным студентам с проблемами, которые исследует наша специальность. Основать фундамент для конструирования лазерных систем. Ознакомиться с некоторыми задачами, связанными с использованием тех или иных материалов в лазерной технике.



Материалы в лазерной технике

Существует большое количество типов лазера. Однако принцип работы один, поэтому существуют некоторые осовные части для любого лазера. Это активная среда, система накачки, оптический резанатор. Еще добавим такие элементы конструкции как: корпус, подвижные и герметичные системы, электроника, фильтры. Для всех этих элментов используют разные материалы. Эти материалы можно разделить на конструкционные и оптические. Конструкционные материалы -- материалы, из которых изготовляются различные конструкции, элементы сооружений, детали машин, воспринимающих силовую нагрузку. Оптические материалы - это природные и синтетические материалы, стёкла, поликристаллические, полимерные и другие материалы, монокристаллы, прозрачные в том или ином диапазоне электромагнитных волн. Их применяют для изготовления оптических элементов, работающих в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра.

Оптические материалы

Активная среда

Вещество, в котором создана инверсия населённостей энергетических уровней квантовой системы называется активной средой. Активная среда усиливает проходящее через неё резонансное электромагнитное излучение при условии, если коэффициент квантового усиления превышает коэффициент потерь энергии в активной среде. Применение положительной обратной связи позволяет использовать рабочие тело для создания генератора когерентного электромагнитного излучения. В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное и плазма.

Твердотельные лазеры

Лазеры, где активной средой являеться твердое вещество, называются твердотельными лазерами. Их в свою очередь можно поделить на волокнистые, полупроводниковые и лазеры на кристаллах и стеклах. Однако все материалы, особенно кристаллы, должны иметь правильную атомно-кристаллическую решетку и поэтому многие, из них, кроме кристаллов с простой кубической решеткой (кремний, германий), отличаются анизотропией оптических свойств. В оптически анизотропных кристаллов луч света делится на два луча, поляризованые в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Начиная с обычного карманного лазера с диодной накачкой, можно заметить, что он имеет сложную систему из нескольких активных сред. Первая среда это кристалл алюмо-иттриевыего граната (YAG) или ортованадата иттрия. Следующей ступенью является нелинейная оптическая система из кристалла титанил фосфата калия (KTiOPO₄, KTP). Такая система связана с увеличением вдвое частоты входного излучения. Вследствии чего длинна волны находиться в интервале видимого излучения (см. рис. 1) в зеленом диапозоне, при этом потери в лазере минимальны. КПД в таком случае может достигать 20%, по сравнению сравнению с 3% у других карманых лазеров. В рубиновом лазере рабочим телом является искусственный сапфир Al₂O₃ с примесью Cr₂O₃. Благодаря чему излучение лазера окрашивается в монохроматический ярко-розовый цвет с малой продольной модой. Такие лазеры широко распространены в голографии, является одним из первых лазеров.

Еще один твердотельный лазер - лазер на оптическом волокне. Существует большое разнообразие конструкций волоконных лазеров, обусловленное спецификой их применения. Специальными методиками можно создать однополяризационные лазеры, лазеры сверхкоротких импульсов и другие. Во всех волоконных лазерах применяются специальные типы оптических волокон, в которые встроены один или несколько волноводов для осуществления оптической накачки. В таблице представлены основные материалы, используемые в качестве активной среды в твердотельных лазерах.

Таблица 1

Типы твердотельных лазеров

Рабочее тело	Применение
Алюмо-иттриевые лазеры с легированием неодимом(Nd:YAG)	Обработка материалов, лазерные дальномеры, лазерные целеуказатели, хирургия, научные исследования, накачка других лазеров.
Лазер на фторидеиттрия-лития с легированием неодимом(Nd:YLF)	Наиболее часто используются для накачки титан-сапфировых лазеров, используя эффект удвоения частоты в нелинейной оптике.
Лазер на ванадате иттрия(YVO4) с легированиемнеодимом (Nd:YVO)	Наиболее часто используются для накачки титан-сапфировых лазеров, используя эффект удвоения частоты в нелинейной оптике.
Лазер на неодимовомстекле (Nd:Glass)	Лазеры сверхвысокой мощности (тераватты) и энергии (мегаджоули). Обычно работают в нелинейном режиме утроения частоты до 351 нм в устройствах лазерной плавки. Лазерный термоядерный синтез (ЛТС). Накачка рентгеновских лазеров.
Титан-сапфировый лазер	Спектроскопия, лазерные дальномеры, научные исследования.
Алюмо-иттриевые лазеры с легированием тулием(Tm:YAG)	Лазерные радары
Алюмо-иттриевые лазеры с легированием иттербием(Yb:YAG)	Обработка материалов, исследование сверхкоротких импульсов, мультифотонная микроскопия, лазерные дальномеры.
Алюмо-иттриевые лазеры с легированием гольмием(Ho:YAG)	Медицина
Церий-легированныйлитий-стронций (иликальций)-алюмо-фторидныйлазер (Ce:LiSAF, Ce:LiCAF)	Исследование атмосферы, лазерные дальномеры, научные разработки.
Лазер на александрите с легированием хромом	Дерматология, лазерные дальномеры.
Лазеры на фторидекальция, легированномураном (U:CaF2)	Первый 4-х уровневый твердотельный лазер, второй работающий тип лазера (после рубинового лазера Маймана), охлаждался жидким гелием, сегодня нигде не используется.

Полупроводниковые лазеры - это лазеры с усиливающей средой на основе полупроводников, где генерация происходит, как правило, за счет вынужденного излучения фотонов при межзонных переходах электронов в условиях высокой концентрации носителей в зоне проводимости. Большинство полупроводниковых лазеров являются лазерными диодами с накачкой электрическим током, и с контактом между n-легированными и р-легированными полупроводниковыми материалами. Есть также полупроводниковые лазеры с оптической накачкой, где носители генерируются за счет поглощения возбуждающего их света, и квантово каскадные лазеры, где используются внутризонные переходы (см. рис. 2). Основными материалами для таких лазеров являются:

· GaAs (арсенид галлия)

· AlGaAs (арсенид галлия - алюминия)

· GaP (фосфид галлия)

· InGaP (фосфид галлия - индия )

· GaN (нитрид галлия)

· InGaAs (арсенид галлия - индия)

· GaInNAs (арсенид-нитрид галлия индия)

· InP (фосфид индия)

· GaInP (фосфид галлия-индия)

Эти полупроводники являются прямозонными; полупроводники с непрямой запрещенной зоной, такие как кремний, не обладают сильным и эффективным световым излучением. Так как энергия фотона лазерного диода близка к энергии запрещенной зоны, полупроводниковые композиции с разными энергиями запрещенной зоны позволяют получить излучение с различными длинами волн. Помимо это полупроводниковые лазеры отличаются высоким КПД, малой инерционностью и простотой конструкции [4].

Лазеры на красителях и газовые лазеры

Лазеры на красителях- лазеры, активными веществами которых служат сложные органические соединения, обладающие системой сопряжённых связей и интенсивными полосами поглощения в ближней УФ-, видимой или ближней ИК-областях спектра. Большинство красителей, используемых в ЛК флуоресцентные. Благодаря особенным оптическим свойствам красители имеют широкую полосу усиления (рис.3). Этот фактор используют для генерации абсолютно любой длинны волны. Ниже приведена таблица параметров некоторых лазеров на красителях.

Таблица 2

Лазеры на красителях

Краситель	Центр линии люминесценции, нм	Рабочая область лазера, нм
Карбостирил 165	445	419--485
Кумарин 2	450	435--485
Кумарин 102	495	470--515
Кумарин 30	515	495--545
Кумарин 6	538	521--551
Флуоресцин	552	538--573
Родамин 6Ж (R6G)	590	570--650
Родамин Б (RB)	630	601--675
R101/R6G	645	620--690
Крезил-виолет/R6G	695	675--708
Нильский голубой	750	710--790
DEOTC-P(4)	795	765--875
HITC-P(4)	875	840--940

В основном такие лазеры используются в спектроскопии, метрологии, косметической хирургии, разделении изотопов и лазерных шоу. Однако в ввиду токсичности красителей и с открытием вибронных кристаллов, лазеры на красителях встречаются всё реже и реже, их заменяют например на титан-сапфировые лазеры.

Газовые лазеры, где рабочим телом являеться газ или пары металлов, с точки зрения используемых материалов не представляют особого интереса. В качестве газов используеться : гелий и неон, аргон, криптон, ксенон, азот, углекийслый газ, фтористый водород. Имеено эти газы излучают фотоны с длинной волны в видимом спектре излучения. Механизм передачи энергии происходит путем соударения возбужденного атома одного газа с невозбужденным атомом другого. Немного иначе обстоит дело с лазерами на парах металлов. В качестве активной среды выступают: золото, медь, марганец, ртуть, кадмий, селен. Особенностью этих лазеров являеться.

· Высокая эффективность генерации. Так коэффициент преобразования электрической энергии в световую для этих лазеров в десять раз выше, чем для таких широко известных лазеров как "аргоновый" и "гелий-неоновый".

· Сугубо импульсный характер генерации, что связано с метастабильностью нижнего уровня лазерного перехода.

· Жёсткие требования на систему импульсного питания таких лазеров, которая должна обеспечивать мощные высоковольтные наносекундные импульсы. Коммутатором разряда служит импульсный водородный тиратрон.

· Высокое усиление света активными средами этих лазеров. Обычно усиление столь велико, что мощное вынужденное излучение формируется активной средой либо только с одним зеркалом резонатора, либо совсем без зеркал. Поэтому требования на качество зеркал резонатора для этих лазеров существенно ниже, чем для всех других лазеров. Обычно в качестве выходного зеркала резонатора в этих лазерах используется прозрачная стеклянная пластинка с отражением 4- 8%.



Материалы в оптических элементах

Совокупность оптических деталей, установленых в положении, заданном расчетом и конструкцией, состовляют оптическую систему прибора. Оптические детали разделяються на следующие виды: линзы, зеркала, призмы и клинья, дифракционные решетки, сетки, экраны, светофильтры, защитные стекла, поляризационные призмы, световоды, оптические затворы. В качестве узлов рассматриваются части, состоящие из деталей, соединяемых склеиванием или устанавливаемых на оптическом контакте, а также объективы, окуляры, составные призмы и типовые призменные системы. Материалы, используемые в эти деталях, предназначены для пропускания, отражения, поглощения и изменения спектрального состава светового потока.

По светотехническим характеристикам материалы условно подразделяются на пропускающие, отражающие, поглощающие и излучающие. Это разделение условно потому, что любому материалу свойствены все эти явления. Поскольку велечина энергии кванта возростает с уменьшением длинны волны излучения, коротко волновое излучение химически более активно, чем длинноволновое. Для некоторых материалов облучение может вызвать процесс деструкции - распада материала с изменением его оптических и механических свойств. Чем прозрачнее материал, тем меньше скорость его старения под действием света; для него характерны более устойчивые межатомные молекулярные связи при нагреве. К материалам, которые используються в светотехнике, относятся стекла, алюминий, серебро, белые пигменты и полимерные материалы.



Оптическое бесцветное стекло

В основе сложившейся классификации оптических стёкол лежит общее представление о связи между химическим составом и оптическими постоянными. До работ Фридриха Отто Шотта оптические стёкла состояли почти исключительно из кремнезёма в соединении с окислами натрия, калия, кальция и свинца. Для таких стёкол существует функциональная зависимость между показателями преломления n и коэффициентами средней дисперсии v, что и было отражено в так называемой диаграмме Аббе (рис. 4). На этой диаграмме бесцветные оптические стёкла располагаются в виде широкой области вытянутой от нижнего левого угла диаграммы к её правому верхнему углу.

В связи с этим были выделены два основных типа оптических стёкол: кромны (стёкла с низким показателем преломления и высоким значениями коэффициента дисперсии) и флимнты (стёкла с низкими значениям коэффициента дисперсии и высоким показателем преломления). При этом к группе кронов относились натриево-силикатные стекла, а к группе флинтов -- стёкла, содержащие свинец. Далее появились новые типы стёкол, как на основе несиликатных стеклообразователей (боратные, фосфатные, фторидные и др.), так и включающие новые компоненты (окислы лантана, тантала, титана). Такие типы часто обозначаются с применением названий химических элементов, окислы которых и придают стёклам специфические свойства.

Сокращения используемые в классификации бесцветных стекол:

ЛК -- легкий крон; ФК -- фосфатный крон; К -- крон; БК -- баритовый крон; БОК -- баритовый очковый крон; ТК -- тяжелый крон; СТК -- сверхтяжелый крон; КФ -- кронфлинт; БФ -- баритовый флинт; БОФ -- бифокальный особый флинт; ТБФ -- тяжелый баритовый флинт; ЛФ -- легкий флинт; Ф -- флинт; ТФ -- тяжелый флинт; ОФ -- особый (с особым ходом дисперсии) флинт; УС -- увиолевое стекло;ДС -- стекло, используемое для изготовления кремневых диодов; РЛС -- стекло радиолюминесцирующее.

Стеклу одного типа, но разного химического состава присвоены различные марки, состоящие из букв, принятых для стекла данного типа, и порядкового номера. Со всеми основными оптическими характеристиками можно ознакомиться в ГОСТ 3514-76.

Обычное - с нумерацией марок от 1 до 99. Серия 100 - малотемнеющее под воздействием ионизирующего излучения с нумерацией от 100 до 199.

Бесцветное оптическое стекло используется для изготовления линз, призм, пластинок и других оптических деталей, используемых в наблюдательных приборах, измерительных оптических инструментах, фотографической и проекционной аппаратуре, визуальных и автоматических системах любой аппаратуры, принимающей, передающей и трансформирующей по заданному закону оптическое излучение.

Цветное стекло

Обычная стеклянная масса после остывания имеет желтовато-зелёный или голубовато-зелёный оттенок. Стеклу можно придать окраску, если в состав стекольной смеси произвести включение, тех или иных оксидов металлов, которые в процессе варки изменят его структуру, что после остывания, в свою очередь, заставляет стёкла выделять определённые цвета из спектра проходящего сквозь них света. Железистые соединения окрашивают стекло в цвета -- от голубовато-зелёных и жёлтых до красно-бурых, окись марганца -- от жёлтых и коричневых до фиолетовых, окись хрома -- в травянисто-зелёный, окись урана -- в желтовато-зелёный, окись кобальта -- в синий, окись никеля -- от фиолетового до серо-коричневого, окись сурьмы или сульфид натрия -- в жёлтый, окись меди -- в красный) Костяное стекло получается замутнением стекломассы пережжённой костью, а молочное -- прибавкой смеси полевого и плавикового шпата. Теми же прибавками, замутив стекломассу в очень слабой степени, получают опаловое стекло. Окрашенные стёкла в лазерном приборостороении используют в качестве цветных светофильтров.

Оптическое цветное стекло нормируеться по следующим параметрам: физико-химическим свойтсвам, показателю поглощения, двойному лучепреломлению, пузырности, бессвильности и неоднородности. Основные параметры и технические требования по ГОСТ 9411-75.

Оптические кристаллы

Искусственные оптические кристаллы имеют ряд ценных свойств, остсутствующиу у оптичесекого стекла: пропускание излучения в ульрафиолетовой области спектра, пропускание излучения в инфракрасной области спектра, значительная велечина коэффициента дисперсии при малом показателе преломления. Оптические кристаллы вместе с тем имеют ии недостатки, затрудняющие их применение. К ним относятся: оптическая и механическая неоднородность в различных направлениях и наличие вредных включений, гигроскопичность и растворимость в воде некоторых кристаллов, дороговизна и ограниченные размеры монокристаллов, малая твердость ряда кристаллов, ядовитость некоторых кристаллов.

В табл. 3 даны характеристики наиболее часто применяемых для иизготовления оптических деталей искусственно выращииваемых кристаллов. Все указанные кристаллы относяться к кубической системе, обладают изотропностью и поэтому не имеют двойного лучепреломления.

Таблица 3

Характеристики оптических кристаллов

Наименование	Хим. формула	Показатель преломления nd	Коэффициент дисперсии vd	Микротвердость при нагрузке 0,3 Н, МПа	Растворимость в воде г/см3	Коэффициент линейного расширения б*106
Хлористый натрий	NaCl	1.54432	42.7	160	0.26	42
Хлористый калий	KCl	1.49038	43.9	90	0.256	28
Фтористый литий	LiF	1.392	99.3	960	0.0026	41
Фтористый натрий	NaF	1.325	85.3	500	0.043	33
Бромистый калий	KBr	1.5599	33.5	-	0.394	37
Бромистый тилий (КРС-5)	TlBr	2.6316	-	42	0.0005	70
Алюмокаливые квасцы	KAl(SO4)2*12H2O	1.4562	58.5	-	0.115	-

NaCl - мягкий, с высокой степенью однородности кристалл, хорошо растворим в воде, гироскопичен. Пригоден для области спектра с длинной волны 0,25-15мкм. В основном применяется для спектральных призм в инфракрасной области спектра.

KCl - очень мягкий достаточной однородный кристалл, хорошо растворим в воде и гироскопичен. Практически используемый интервал пропускания 0,33-21 мкм. Применяеться для конденсорных линз ультрафиолетовых микроскопов, призм и окошек спектральных приборов для инфракрасной области.

NaF - достаточно твердый однородный кристалл, мало растворим в воде. Применяется для изготовления призм и окошек в инфракрасном спектрометрах.

KAl(SO₄)₂*12H₂O - мягкий, однородный кристалл, хорошо растворим в воде, гироскопичен. Применяется в основном в качестве линз для апохроматических объектов микроскопов, предназначенных для видимой области спектра.

Кварцевое стекло

Кварцевое стекло - однокомпонентное стекло из чистого оксида кремния, получаемое плавлением природных разновидностей кремнезёма - горного хрусталя, жильного кварца и кварцевого песка, а также синтетической двуокиси кремния. В зависимости от основной области спектрального пропускания ГОСТ 15130-69 устанавливает пять марок кварцевого стекла, предназначенного для деталей, работающик на пропускание света в одном направлении. К нормируемым показателям кварцевого стекла относяться: оптическая однородность, двойное лучепреломление, бессвильность, мелкозирнистая неоднородность, пузырность, люминесценция и пропускание в ультрафиолетовой части спектра (для КУ-1 и КУ-2), интегральное пропускание в видимой части спектра (для КВ и КВ-Р), пропускание в инфракрасной области (для КИ), устойчивость к гамма-радиациям (для КВ-Р).

Кварцевое стекло применяют для изготовления лабораторной посуды, тиглей, оптических приборов, изоляторов, изделий, стойких к температурным колебаниям. Незначительное количество отрезков кварцевого стекла используется для изготовление линзы Френеля. Также применяется в производстве термостойких огнеупорных материалов.

Ситаллы

Ситаллы - стеклокристаллические (микрокристаллические) материалы, состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределенных в стекловидной фазе. Главная особенность ситаллов -- тонкозернистая равномерная стеклокристаллическая структура. От неорганических стекол они отличаются кристаллическим строением, а от керамических материалов - более зернистой и однородной микрокристаллической структурой. Получают путем направленной кристаллизации стекол специальных составов, протекающей в объеме заранее отформованного изделия. Различают технические ситаллы, изготовляемые на основе искусственных композиций из различных химических соединений -- оксидов, солей; петроситаллы - из горных пород -- базальтов, диабазов; и шлакоситаллы - из металлургических или топливных шлаков.

В отличие от обычных стекол, свойства которых определяются в основном их химическим составом, для ситаллов решающее значение имеют структура и фазовый состав. Причина ценных свойств ситаллов заключается в их исключительной мелкозернистости, почти идеальной поликристллической структуре, что обусловливает сочетание высокой твердости и механической прочности с отличными электроизоляционными свойствами, высокой температурой размягчения, хорошей термической и химической стойкостью. Свойства ситаллов изотропны. В них совершенно отсутствует вязкая пористость. Усадка материала при его переработке незначительна. Большая абразивная стойкость делает их малочувствительными к поверхностным дефектам. Плотность ситаллов лежит в пределах 2400-2950 кг/м³, прочность при изгибе - 70-350 МПа, временное сопротивление - 112-161 МПа, сопротивление сжатию - 7000-2000 МПа. Модуль упругости 84 - 141Гпа. Прочность ситаллов зависит от температуры. Твердость их близка к твердости закаленной стали (V - 7000-10500 МПа). Они весьма износостойки (f_тр = 0,07-0,19). Коэффициент линейного расширения лежит в пределах (7- 300)10^-7 с^-1. Ситаллы с маленьким коэффициентом линейного расширения весьма нагревостойки. По теплопроводности ситаллы в результате повышенной плотности превосходят стекла. Термостойкость высокая в интервале температур 50 -9000-°С. Термическая устойчивость ситаллов обеспечивается очень небольшими, а иногда и отрицательными (от -7^.10^-7 до +3^.10^-7) коэффициентами термического расширения. Удельное объемное сопротивление 10⁸-10¹²Ом.м, электрическая прочность 25-75 МВ/м. Многие ситаллы обладают высокой химической стойкостью к действию сильных кислот (кроме плавкиковой) и щелочей. По химической устойчивости по ГОСТ 13917-68 к воздействию влажной атмосферы ситаллы относяться к группе А, к пятнающим агентам к группе - 1.

Оптическое кварцевое стекло может быть заменено прозрачными ситаллами, которые имеют перед ним то преимущество, что в силу малых коэффициентов теплового расширения они нечувствительны к тепловым ударам. Прозрачность связана с размером кристаллов, меньшим длины полуволны видимого света и близостью показателей их преломления к стекловидной фазе. Ситаллы применяются для изготовления деталей, требующих прочности и термостойкости: корпуса приборов, шкалы, образцовые меры, подложки микросхем, высоковольтные электроизоляторы. Являются перспективными строительными и конструкционными материалами: обтекатели ракет и сверхзвуковых управляемых снарядов, химически стойкая аппаратура, мостостроительные конструкции.

Оптическая керамика

Прозрачные керамические материалы -- материалы, прозрачные для электромагнитных волн, получаемые на базе нанопорошковых керамических материалов. Имеют кубическую симметрию расположения атомов, наноразмерные межкристаллитные границы. Обладая всеми свойствами силикатных неорганических стекол, они превосходят их целым рядом важных оптических показателей, как коэффициентом преломления, твёрдостью, способностью изменять частоту колебаний электромагнитных лучей света и др.

В процессе высокотемпературного прессования получают материалы с плотностью, близкой к плотности монокристаллов соответствующих соединений, обладающие минимальным рассеянием света, высокой прозрачностью и твёрдостью (коэффициент преломления n = 2,08).

Оптическая керамика применятся для изготовления светорассеивающих экранов, подложек интерференционных светофильтров, окон и обтекателей в приборах, работающих в ИК-области спектра, а также в условиях высоких механических и термических нагрузках.

К0-1 - поликристаллический материал, получаемый из порошкообразного фторида магния, обладает средней твердостью (5850 Мпа), прозрачный в области спектра 2-7 мкм. Не растворяется в воде, разбавленных кислотах, щелочах и органических растворителях.

К0-2 - поликристаллический материал на основе сульфида цинка. Мягкий, прозрачный в области спектра 1,8-14 мкм. Не растворяется в воде, незначительно в разбавленных кислотах, щелочах и органических растворителях. Предел прочности при температурах 20, 200 и 400 ^о С соответснвенно равен 7,9 ; 5,5 ; 6,6 *10 МПа.

К0-4 - поликристаллический материал на основе селенида цинка, прозрачный в области спектра 0,546-14 мкм. Не растворяется в воде, растворяеться в кислотах.

К0-5 - поликристаллический материал на основе окиси магния с добавкой фторида лития в количестве до 0,3 % по массе. Прозрачный в области спектра 0,5-7 мкм.

Для преобразования оптических сигналов в электрические разработана группа электронно-оптических приборов на электретах. Такие преобразователи находят применение при наблюдении слабо освещенных или слабо излучающих объектов, при излучении быстропротекающих процессов в ядерной физике, астрономии, медецине, а также в системах разработки, хранения и передачи информации. Управление лазерным излучением осуществляют с помощью оптических затворов, дефлекторов, световых модуляторов на основе некоторых видов электретной керамики (ниобаты). Электронно-оптические элементы из наобатов обеспечивают скачкообразное изменение велечины пропускаемого светового потока в момент включения управляющего поля и постоянное его изменение под действием этого поля [7].

Другие материалы

Термопластичные полимерные материалы используються для изготовления оптических деталей, работающиих в видимой и близкой инфракрасной областях спектра. Согласно отраслевому станарту из полимеров в зависимости от их назначения могут изготовляться оптические детали следующих видов: растры, линзы Френеля, детали приборов широкого применения (фотоаппараты, биноклии, лупы, очки), детали осветительных систем, защитные стекла, матовые экраны.

Органические конструкционные стекла в зависимости от назначения выпускаються по ГОСТ 15809-70 следующик марок: СОЛ - пластифицированное, СТ - непластифицированное. Также к органическим стеклам относят светорассеивающие стекля, которые используют для изготовления непрозрачных деталей, эталонов мутности, деталей, преобразующих направленный световой пучок в диффузный.

Конструкционные материалы

В лазерном приборостроении не малую роль стоит уделить и конструкционным материалам, которые являются стержнем лазера. Однако эти материалы общие для всего машиностроения с одинаковыми ГОСТами и нормами, поэтому я решил расмотреть основные характеристики и области использования для конструкционных материалов на основании [8].

При выборе материала для той или иной детали или конструкции учитывают экономическую целесообразность его применения (соответствие цены и качества), сохранение конструкционных критериев (требуемые долговечность, прочность, надежность) и возможность переработки в изделие (технологические критерии - обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость и т.п.). С учетом данных критериев выбирают материал той или иной природы. Материалы делятся на металлические, неметаллические и композиционные.

Металлические материалы. К ним относятся все металлы и их сплавы. Среди них можно выделить несколько групп, отличающихся друг от друга по свойствам:

1. Черные металлы. Это железо и сплавы на его основе - стали и чугуны;

2. Цветные металлы. В эту группу входят металлы и их сплавы, такие как медь, алюминий, титан, никель и др.;

3. Благородные металлы. К ним относятся золото, серебро, платина;

4. Редкоземельные металлы. Это лантан, неодим, празеодим.

Неметаллические материалы. Среди них также можно выделить несколько групп:

1. Пластмассы. Это материалы на основе высокомолекулярных соединений - полимеров, как правило, с наполнителями;

2. Керамические материалы (керамика). Основой этих материалов являются порошки тугоплавких соединений типа карбидов, боридов, нитридов и оксидов. Например: TiC, SiC, Cr7C3, CrB, Ni3B, TiB2, BN, TiN, Al2O3, SiO2, ZrO2 и др.;

3. Металлокерамические материалы (металлокерамика). В этих материалах основой является керамика, в которую добавляется некоторое количество металла, являющегося связкой и обеспечивающего такие свойства, как пластичность и вязкость;

4. Резина. Это материалы на основе каучука - углеродноводородного полимера с добавлением серы и других элементов;

5. Дерево. Сложная органическая тканьдревесных растений.

Композиционные материалы. Они представляют собой композиции, полученные искусственным путем из двух и более разнородных материалов, сильно отличающихся друг от друга по свойствам. В результате композиция существенно отличается по свойствам от составляющих компонентов, т.е. получаемый материал имеет новый комплекс свойств. В состав композиционных материалов могут входить как метал-лические, так и неметаллические составляющие.

В легированной стали содержатся специальные лигирующие эллементы (никель, хром, вольфрам, молибден, ванадий, марганец, кремний, медь, кобальт и др.) повыщающие его механические и специальные свойства. Обозначение легирующих элементов в марках сталях в России:

Никель - Н, Марганец - Г, Хром - Х, Молибден - М, Кремний - С, Титан - Т, Вольфрам - В, Ванадий - Ф, Алюминий - Ю, Цирконий - Ц.

Хром - повышает прочность и твердость, увеличивает прокаливаемость стали, одновременно понижая ее пластичность и вязкость. Содержание хрома - до 3%.

Никель - придает стали антикоррозийную устойчивость, прочность и пластичность, повышает сопротивлению удару, повышает прокаливаемость и уменьшает коэффициент теплового расширения. Содержание никеля - 1-5%.

Вольфрам - увеличивает твердость стали, препядствует росту зерен при нагреве, способствует уменьшению хрупкости при отпуске. Содержание вольфрама - до 1,5%.

Молибден - повышает твердость и прочность стали, уменьшает хрупкость, пластичность и вязкость. Содержание молибдена - 0,2-0,6%.

Кремний - увеличивает прочность, не снижая вязкость, упругость и жаростойкость. Содержание кремния - 1-2%.

Марганец - повышает прокаливаемость стали, увеличивает ее твердость и износоустойчивость, уменьшает магнитность. Содержание марганца - 1-2%.

Таблица 4

Наиболее применяемые стали

Название стали	Основные легир. элементы	Применение	Примеры
Цементуемые	Cr, Ni	Зубчатые колеса, валы коробки передач; детали, работающие в условиях поверхностного износа.	20ХН 15Х 20Х
Улучшаемые	Cr, Ni, Mn, Si, Mo, V, W	Детали различного сечения, работающие в условиях нагружения	ЗОХГСА 40Х ЗОХМ 38ХНЗМФА
Рессорно-пружинные	Mn, Si,	Пружины, рессоры	60С2 50С2
Шарикопод-шипниковые	Cr, Si, Mn,	Подшипники качения	ШХ9 ШХ15 (X - хром в десятых долях %)
Высокопрочные	Ni, Co, Mo	В ракетостроении, авиа-строении, судостроении; детали, работающие при низких температурах	03Н18К9М5Т 03Н10Х11М2Т
Низколегиро-ванные строительные	Mn, Si	Сварные конструкции. Строительство, мостостроение вагоностроение, трубы нефте- и газопроводов	08Г2С 14Г2 14ХГС
Для режущего инструмента повышенной прокаливаемости	Cr, W	Для режущего инструмента, работающего с небольшими скоростями резания; сверла, лезвия	9ХВГ 13Х 9ХС
Быстрорежущие	W, Мо	Режущий инструмент, работающий при высоких скоростях резания (фрезы, сверла, протяжки, метчики и т.д.)	Р9, Р18, Р6М5 (Р-быстрореж., цифра-содерж. W в %)
Штамповые	Cr, Mo, W, V, Ni	Штампы для холодного и горячего деформирования (пресс-формы, матрицы, пуансоны и т.д.)	Х12М Х12Ф
Нерживеющие стали	Сr = 13%	Работа в слабоагрессивных средах при нормальной температуре	08X13 12X13
	Сr = 13%	Режущий, измерительный, медицинский, хирургический инструмент	30X13 40X13
	Сr = 17%	Оборудование пищевой и легкой промышленности, кухонная утварь	12X17
	Сr = 25 - 28%	Сварные детали пищевой и легкой промышленности, детали, работающие в более агрессивных средах; трубы теплообменной аппаратуры	15Х25Т 15X28
	Сr = 18% Ni = 9 - 14% Mo, Ti, Nb	Детали холодильной промышленности, криогенной техники, пищевой пром.; работа в средах (кислоты, щелочи, морская вода)	08Х18Н10 12Х18Н9 08Х18Н10Т



Перспективные материалы

Вместо заключения хочется добавить, что любая отрасль машиностроения, в том числе и лазерная техника, нуждается в новых материалах для улучшения механически и оптических характеристик, упрощения производства, экономичности. Поэтому на сегодняшний день разрабатывается ряд новейших материалов. Это материалы авиационной и космической техники, электронной техники, квантовой электроники и фотоники, атомной и термоядерной энергетики, общего назначения. Что касается оптических материалов, то такие матириалы как: жидкие кристаллы и флюрены, графеновые наноленты и нанотрубки, твердые растворы халькогенидов цинка, полупроводники типа A₄B₆, ниобат лития и другие материалы с нелинейной оптикой будут находить все больше и больше применения в повседневной жизни[9]. Например для определения вирусов в анализе для точной диагностики с помощью лазера и полой сферы [10]. Лазеры в хирургии и офтальмологии, создание искусственных опорных звезд, лазерное намогничивание и охлаждение, голография для всего этого необходимо новейшие материалы с высокой точностью юстировки и безупречными необходимыми оптическими характеристиками [6].



Приложение

Рис. 1 Схема лазерной указки

Рис. 2 Строение полупроводникового активного элемента

Рис. 3 Ширина усиления лазера на красителях (1-поглощение, 2-флоуресценция)

лазер техника оптический материал

Рис 4 Диаграмма Аббе



Список используемой литературы

1. Справочник конструктора оптико-механических приборов (Третье издание под ред. В.А. Панова).

2. Материаловедение и технология конструкционных материалов. учебное пособие для специальностей: 200201 - "Лазерная техника и лазерные технологии", 200203 - "Оптико-электронные приборы и системы", направления подготовки дипломированных специалистов 200200 - Оптотехника - 2006 (Серия "Материаловедение". под ред. М.В. Хорошева).

3. Первушин Ю. С., Композиционные материалы. учеб. пособие по дисциплинам: "Технология конструкц. материалов", "Материаловедение", "Материаловедение и технология конструкц. материалов". 2005.

4. Андриевский Р. А., Наноструктурные материалы. учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по напправлению подгот. дипломир. специалистов 651800 "Физ. материаловедение". 2005 (Высшее профессиональное образование. Естественные науки).

5. Электротехническое материаловедение Электроматериаловедение и техника высоких напряжений Ч. 1. 2002.

6. Перспективные материалы. структура и методы исследования. учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлениям подготовки дипломированных специалистов. "физическое материаловедение" и "металлургия". 2006.

7. Гольдаде В.А., Электретные пластмассы: физика и материаловедение. 1987 (Наука и технический прогресс), стр. 157.

8. Складнова Е.Е., Курс лекций по материаловедению. Лекция 12. http://www.j-pm.ru. Журнал перспективные материалы.

9. http://www.popmech.ru/article/11647-shepot-virusov/ - Шепот вирусов. Микробы в галерее.

Размещено на Allbest.ru

...