Разрушения, обусловленные локальными микроскопическими примесями

Разрушение идеально чистых тел

Первое, что надо иметь в виду,— идеально чистые твердые прозрачные среды практически не существуют. В любом кристалле, стекле всегда имеются макроскопические локальные примеси, представляющие собой локальные области, имеющие иной коэффициент преломления и поглощения, чем сама среда. Типичным примером являются непрозрачные примеси. Эти примеси, как правило, носят технологический характер, они обусловлены методикой изготовления кристалла или стекла. Типичным примером являются частички платины, из которой изготавливаются тигли, в которых варят стекло. При среднем (по объему) коэффициенте поглощения прозрачных кристаллов и стекол порядка 10^-3—10^-5 см^-1 локальный коэффициент поглощения таких примесей может достигать значений порядка 10²—10³ см^-1, т.е. превышать среднее значение на много порядков величины. Однако по чисто технологическим причинам некоторые кристаллы удается выращивать в таких условиях, когда количество примесей минимально. В качестве примера можно привести кристаллы NаС1 и КСl. Результаты экспериментов с такими, почти совершено однородными средами, могут с достаточным основанием сопоставляться с теорией пробоя идеально однородных сред.

Процесс пробоя состоит из следующих этапов:

1. Мощное лазерное излучение создает свободные электроны. Хотя мы считаем, что среда не поглощает, в результате воздействия мощного лазерного импульса может произойти двухфотонное поглощение.

2. Действующее лазерное излучение ускоряет электроны, которые способны выбить связанный электрон из атома. Энергия, которую необходимо набрать электрону в зоне проводимости, равна ширине запрещенной зоны, которая меньше потенциала ионизации атома или молекулы газа. Поэтому пробой твердого тела происходит легче чем газа.

3. Развивается электронная лавина.

4. Быстрый локальный нагрев и плавление среды.

5. Повышение давления и возникновение механических напряжений между модифицированной областью и областью, в которой не происходило поглощение энергии лазерного импульса, что приводит к разрушению твердого тела и возникновению микродефекта.

При наличии в прозрачной среде локальных макроскопических примесей или дефектов с большим коэффициентом поглощения излучения эти локальные области быстро нагреваются, что и служит, в конечном счете, причиной разрушения прозрачной среды. Таким образом, при наличии примесей идет речь о тепловом разрушении прозрачных сред.

Разрушения, обусловленные примесями (типичны микроскопические включения платины от стенок тиглей) или дефектами (например, свилями в стекле), являются экспериментальным фактом, хорошо известным с момента создания мощных лазеров.

В результате поглощения энергии лазерного излучения этими локальными областями в них очень быстро (за время лазерного импульса) увеличивается температура, соответственно увеличивается давление, приводящее к растрескиванию стекла (кристалла) в небольшой области вокруг примеси (дефекта).

Теоретическое описание теплового разрушения основано на решении уравнения теплопроводности для среды с примесями. Кроме теплофизических свойств среды и примеси при этом необходимо учесть размер локальных областей, среднее расстояние между ними и коэффициент поглощения излучения. В наиболее простой модели пренебрегается зависимостью коэффициента поглощения от температуры нагреваемой области. В качестве критерия разрушения среды принимается критическая температура области, при которой возникают необратимые изменения среды (например, плавление). Такая простая модель с удовлетворительной точностью описывает поверхностное и объемное разрушение кристаллов и стекол, а также тонкопленочных диэлектрических покрытий зеркал. На первый взгляд возникает естественный вопрос: почему, если разрушения носят тепловой характер, имеет место зависимость от длительности облучения? Казалось бы, определяющей должна бить лишь поглощенная энергия. На самом деле, конечно, зависимость от длительности излучения должна отсутствовать, если выполняется неравенство τ_л >τ_н, означающее, что длительность лазерного импульса τ_л превышает τ_н — характерное время для распространения тепла в примеси (дефекте).

Однако если соотношение этих времён имеет обратный знак (τ_л <τ_н), то должна быть зависимость от τ_л, так при малых τ_л локальная область (примесь, дефект) не успевает нагреваться. Из табличных данных о температуропороводности металлов и типичных размеров дефектов следует, что должна быть зависимость пороговой мощности разрушения от длительности лазерного импульса τ_л. Экспериментальные данные подтверждают результаты этих оценок

Более строгий анализ, проведённый с учётом зависимости теплофизических параметров, характеризующих примесь и среду, от температуры, указал на важную закономерность теплового разрушения – развитие процесса нагрева примеси во времени носит сильно нелинейный, взрывной характер. Оказалось так же существенным, что по мере увеличение температуры примеси размер области, в которой происходит поглощение излучения, увеличивается за счет фотоионизации окружающей среды тепловым излучением нагретого включения (при температуре излучения порядка 10⁴ К максимум теплового излучения лежит в ультрафиолетовой области спектра). Важным для практики свойством разрушений, обусловленных нагревом примесей и дефектов лазерным излучением, является так называемый размерный эффект – наличие зависимости пороговой мощности излучения, при которой возникает разрушение, от размера облученной области образца. Наблюдается следующая закономерность: чем больше размер облучаемой области, тем меньшее значение пороговой мощности излучения.

Размерный эффект успешно описывается в рамках статистической модели, в основе которой лежат три предположения: неоднородности, поглощающие излучение, случайным образом распределены по объему образца; плотность неоднородностей обратно пропорциональна их размеру; порог разрушения определяется самой крупной неоднородностью, поглощающей максимальное количество энергии. Следуя этой модели качественно, ясно, что пороговая мощность для разрушения тем меньше, чем больше размер облучаемой области. Экспериментальные данные хорошо количественно описываются в рамках этой модели.

Дата добавления: 2015-06-27