Надежность лазерных систем

Материал подготовлен Викторией Стамболян

(ориг. Qualification and issues with space flight laser systems and components
M. N. Ott et al), SPEE 61001 (2006))

При разработке твердотельных лазерных систем, предназначенных для космоса, необходима их тщательная проверка и тестирование, особенно для коммерческих изделий. Очень важно добиться максимального уменьшения вероятности риска изделия, так как лазерная система должна быть очень точной, эффективной, надежной и долговечной.

Одной из главных характеристик лазера является его срок службы. На него в космосе влияет множество факторов, например, изменение расходимости и направления лазерного луча, изменение выходной мощности матриц накачки. Для космических исследований очень важно максимально приблизить форму пучка к Гауссовой и работать в одномодовом режиме. Для того чтобы требуемые параметры оставались постоянными в течение всей миссии вся конструкция лазера, включая резонатор, накачку, затворы, поляризаторы и др. оптические приборы, должна быть тщательно спроектирована и протестирована. Для тестирования лазеров используется так называемая модель protoflight, являющаяся полным аналогом реальной модели.

Ключевыми параметрами окружающей среды для многих систем космического полета являются: вакуум, вибрация, тепловой режим и излучение, поэтому protoflight подвергается таким испытаниям, как вибрационные, термовакуумные, проверка материала, радиационные, проверка на загрязнения и т.д. Однако все равно приблизить лабораторные условия к реальным очень сложно, поэтому многие проблемы все еще являются актуальными.

Одной из важных проблем является неопределенность поведения материалов в вакууме. Вакуум делится на режимы: низкий, средний, высокий, сверхвысокий и экстремально высокий. Вакуум космического пространства был оценен между 10^(-14) и 10^(-16) Торр, это вписывается в режим экстремально высокого вакуума. Отбор материалов в соответствии с программой ASTM-E595 (в NASA) проводится при 10^(-6) Торр, что в 10 миллиардов раз отличается от реальной космической среды. Характеристики материала будут существенно отличаться от условий окружающей среды.

Одним из ярких примеров может служить выход из строя лазерных диодных матриц, используемых в приборе GLAS на борту ICESAT. В сборке диодных матриц использовалась конструкция, представленная на рисунке 1.

Покрытие из индия начало проявлять свойство «ползучести» в космосе, и вследствие его попадания на провода из золота образовался интерметаллид в виде пушистой оболочки (рис 2). Он бы мог работать дальше, но из-за приложенного тока провода оборвались, так как соединение индия с золота оказалось очень хрупким и не выдержало приложенной нагрузки. Также индий затек в монтажные отверстия и это вызвало короткое замыкание. Провода оборвались, из-за этого диод оказался отсоединенным от охлаждения, что повлекло за собой выход матрицы из строя.

Следующей проблемой является дегидратация оптических поверхностей. Это явление заключается в удалении абсорбированных монослоев воды с поверхностей, а, следовательно, и в изменении состава материалов. Это приводит к изменению оптических свойств поверхности, а главное – коэффицента преломления, что в свою очередь проявляется в дефокусировке, увеличении расходимости, изменении оптического пути. Кроме того, дегидратация приводит к увеличению поверхностной энергии. Можно было бы ожидать, что любой поглощенный этой поверхностью свет быстро распадется на тепло и рассеется, но это не так. В результате исследований было выяснено, что в материале образуются экситонные состояния. Материал с экситонными состояниями имеет более высокую поверхностную энергию, чем у невозбужденного материала. Возбужденное состояние материала повышает его реактивность по отношению к падающим частицам.
Также дегидратация приводит к изменению электрических свойств материала. Например, кристаллические соединения, такие как ниобат лития и триборат лития, имеют в своем составе помимо воды еще и гидроксид лития, свободное перемещение молекул которого обеспечивает хорошую электропроводность, однако при испарении воды из кристалла материал становится диэлектриком.

Поведение материалов в вакуумной атмосфере часто сильно зависит не только от общего давления системы, но и от состава остаточных газов. В сверхвысоком или экстремально высоком вакууме основным остаточным газом является водород. Давление в системе может достигать значения ниже давления диссоциации оксидов металлов, что приводит к потере кислорода с металлических поверхностей, что повышает поверхностные энергии. Результат этих факторов часто приводит к восстановлению оксидов металлов до металлов.

Заключение

Таким образом, перед запуском лазерной системы в космос необходим ее тщательный анализ, подбор подходящих материалов, тестирование в различных условиях среды, а также нужно опираться на опыт предыдущих полетов и изучение причин отказов элементов, чтобы обеспечить конструкции надежность, эффективность и долговечность. Важно помнить, что любое, даже незначительное улучшение системы, может оказать на нее положительное влияние.