Elektronika 2009-05.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

0,3...1,6. Im mniejsza jest wartość współczynnika termosprężystości,tym mniejsze naprężenie o pochodzeniu termicznymjest indukowane w szkle przy zmianachtemperatury. Wymagania dla szkła laserowego na wartośćtego współczynnika są przeciwstawne w stosunku do wymagańna właściwości mechaniczne. Szkło ma dobre właściwościmechaniczne jeśli moduł Younga jest duży. Jednak dladużej wartości tego modułu energia fali fononowej w szklejest także duża i sprawność konwersji laserowej energii możebyć mała na rzecz wysokoenergetycznego rozpraszania nieradiacyjnegowielofononowego. Aby wartość współczynnikatermosprężystości w szkle laserowym była relatywnie niewielka,to moduł sprężystości Younga i liczba Poissona orazwspółczynnik rozszerzalności liniowej powinny być jak najmniejsze.Kolejnym podstawowym parametrem termomechanicznymszkła optycznego, a szczególnie obciążonego termiczniei mechanicznie szkła laserowego jest współczynnikodporności na szok termiczny. Parametr ten jest odwrotnieproporcjonalny do współczynnika termosprężystości szkłaφ[Nm -2 K -1 ], wprost proporcjonalny do współczynnika odpornościna złamanie szkła K 1c [Nm -3/2 ] i przewodności cieplnejszkła κ [Wm -1 K -1 ]. Współczynnik odporności na szok termicznyjest wyrażony zależnością:S T [Wm -1/2 ] = κK 1c /φ. (13)Dla szkieł jego wartość wynosi ok. 1. Współczynnik S T maw szkłach laserowych silny odnośnik ekonomiczny. Szkła laseroweaktywne, podobnie do innych szkieł optycznych bardzowysokiej jakości są dość drogie. Szkła laserowepodlegają w cyklu technologicznym prowadzącym do końcowegoproduktu w postaci pręta laserowego, złożonej, wieloetapowejobróbce mechanicznej jak polerowanie i termicznejjak odlewanie, odprężanie, itp., a następnie testowanie mechaniczno-termicznei przechowywanie. Uzysk w produkcjiszkła laserowego decyduje o całkowitych kosztach i efektywnościprodukcji. Podstawowym parametrem decydującymo uzysku produkcji szkła laserowego (i innych szkieł optycznych)jest współczynnik odporności na szok termiczny.Właściwości termooptycznei elastooptyczne szkła laserowegoPodstawową wymaganą właściwością szkła laserowego(i szkieł optycznych wysokiej jakości) jest stabilność termiczna,a w konsekwencji optotermiczna, a także optomechaniczno-termiczna.Szkło podlega naturalnej dylatacjitermicznej (ilościowo zdefiniowanej przez liniowy współczynnikrozszerzalności termicznej dla jednostkowej długości elementuszklanego ∆L = α∆T) oraz termicznej zmianie refrakcji.Podstawową zależnością termooptyczną w szkle jest dyspersjatermiczna fazowego współczynnika refrakcji n = n(T)wyrażona pochodną dn/dT [K -1 ] oraz grupowego n g = n g (T)współczynnika refrakcji dn g /dT, gdzie n g = n -λdn/dλ. Wartośćη=dn/dT jest nazywana fazowym współczynnikiem termooptycznym,a wartość η g = dn g /dT odpowiednio grupowymwspółczynnikiem termooptycznym.O liniowym przyroście fazy fali optycznej ∆φ [rad] na wyjściuszklanego elementu laserowego (lub na granicy ośrodkówbardziej złożonej szklanej struktury optycznej) w relacjido fazy fali wejściowej decyduje jeden parametr l opt - jest nimdroga optyczna: ∆φ = kl opt , gdzie k =2π/λ - liczba falowa.Droga optyczna wiązki światła l opt [m] w szkle w relacji dodługości fizycznej l [m] wiązki światła wynosi l opt = nl, jeślin = const. Jeśli współczynnik załamania jest zmienny wzdłużdrogi wiązki światła w szkle n = n(s), gdzie s - zmienna przestrzennawzdłuż krzywoliniowej trajektorii C wiązki, to drogaoptyczna jest całką krzywoliniową z refrakcji po drodze wiązki:l opt =∫ c n(s)ds. Wiązka światła w szkle, która pokonuje określonądługość drogi optycznej l opt , doznaje tego samego przesunięciafazy, jakby pokonywała w próżni długość drogifizycznej l. W próżni długości drogi fizycznej i optycznej sąjednakowe. Jeśli wiązka światła przechodzi przez złożonyoptyczny system szklany, np. sklejone szklane pręty laserowe,to długość drogi optycznej jest addytywna.Dla laserów na szkle dużej mocy (np. szkło:Nd) zmianydrogi optycznej l opt w funkcji temperatury S t = dl opt /dT powinnybyć bliskie zera. Łączny wpływ dwóch zjawisk termomechanicznegoi termooptycznego na długość drogioptycznej: zmiany objętości materiału oraz zmiany polaryzowalnościszkła, wyrażony jest zależnością:S t = dl opt /dT = (n - 1)(v + 1)α + n 3 αE(q 11 + q 12 ) + dn/dT (14)gdzie: n - współczynnik załamania, v - liczba Poissona, α - liniowywspółczynnik rozszerzalności termicznej, E - modułYounga, q ij - współczynniki elastooptyczne. Zazwyczaj dwapierwsze składniki zależności na S t są dodatnie, podczas gdytrzeci może być dodatni lub ujemny. Szkła laserowe o ujemnejwartości η=dn/dT są stosowane w celu redukcji wartościtermicznego współczynnika zmiany drogi optycznej S t . Gdywartość współczynnika S t jest znaczna w szkle nieskompensowanymtermicznie, wówczas może wystąpić zjawisko termiczniegenerowanego soczewkowania.Zjawisko soczewki fototermicznej w szkle laserowym jestjednym z możliwych, podstawowych ograniczeń pracy elementuoptycznego w układzie laserowym dużej mocy. Częśćenergii wiązki laserowej ogrzewa szkło. Soczewka jest tworzonawskutek termicznej zależności współczynnika załamania.Zazwyczaj soczewka termiczna ma ujemną wartośćdługości ogniskowej, ponieważ większość szkieł rozszerzasię przy ogrzaniu, a refrakcja jest proporcjonalna do gęstości.Soczewka rozpraszająca w szklanym rezonatorze laserowympowoduje rozbieżność wiązki laserowej i sygnał optyczny detekowanyna osi wiązki laserowej ulega zmianie. Ilość ciepławydzielonego w laserowym pręcie szklanym zależy od mocylasera i absorpcji. Na ogół absorpcja jest bardzo mała i ogrzewanierezonatora, czyli tworzenie soczewki termicznej następujerelatywnie wolno. W najczęstszym przypadku wiązkalaserowa ma profil Gaussowski. Ogrzewanie ma taki sam radialnyprofil, w wyniku czego indukowany jest analogicznygradient temperatury, a następnie gradient refrakcyjny. Najmniejszawartość współczynnika załamania w szklanym pręcielaserowym jest na osi wiązki laserowej, czyli najczęściejna osi pręta. Droga optyczna w osi szklanego rezonatora laserowegojest najmniejsza. Gradient współczynnika załamaniaoraz osiowa symetria układu prowadzą do generacjiw rezonatorze fototermicznej soczewki rozpraszającej i rozproszenia(dodatkowej rozbieżności) wiązki laserowej proporcjonalnejdo temperatury. Szybkość generacji soczewkifototermicznej zależy od pojemności (ciepła właściwego)i przewodności cieplnej szkła laserowego. Typowe czasy generacjisoczewki fototermicznej w szkle laserowym są rzędumilisekund. Czas generacji soczewki fototermicznej jest istotnymparametrem termicznym układu lasera na szkle i definiujesprawność jego chłodzenia oraz ograniczenia mocygenerowanej wiązki optycznej.ELEKTRONIKA 5/2009 115