2 Хрупкое разрушение

Разрушение прозрачных твердых тел может быть вызвано различными механизмами поглощения энергии лазерного излучения. Среди них можно отметить собственные механизмы, связанные со свойствами самой матрицы (ударная и многофотонная ионизация) и механизмы, обусловленные поглощающими включениями (термоупругий, теплового взрыва, фотоионизационный).

Следует отметить, что в полимерных материалах в отличие от кристаллов и стёкол эффект накопления выражен особенно сильно и наблюдается даже при интенсивностях на два порядка ниже одноимпульсного разрушения. Для объяснения эффекта накопления в ходе развития представлений о его природе предлагались различные механизмы. Среди них: накопление газообразных продуктов в микрообластях, возникших путем многоквантовых фотохимических реакций, приводящих к деструкции полимера, термомеханический механизм накопления в полимерных материалах продуктов типа сажи и ряд других. Следует отметить, что все они не получили должного экспериментального подтверждения.

Реализация того или иного механизма разрушения зависит от большого числа факторов:

• чистоты полимера,

• длины волны излучения,

• длительности лазерного импульса и т. д.

Вне зависимости от того, какой механизм разрушения реализуется в каждом конкретном случае, конечной стадией процесса лазерной деструкции являются:

• плавление;

• образование трещины;

• абляция.

Образование трещины является основным механизмом деструкции при короткоимпульсном воздействии. В области нано-пикосекундной длительности вероятным является механизм теплового взрыва, обусловленного поглощающими включениями. При сверхкоротких импульсах (фемтосекундный диапазон) длительностью менее 10 пс практически у всех твердых тел превалирующим механизмом разрушения является абляция. При импульсах с миллисекундной длительностью для ряда материалов наблюдается образование проплава.

Разрушения, возникающие в прозрачных телах под действием лазерного излучения, наиболее целесообразно разделить на разрушения, возникающие в идеально чистых средах, и разрушения, обусловленные примесями. В этих случаях различны и механизмы, приводящие к разрушению. В чистой среде – это оптический пробой, качественно аналогичный пробою в газе, а в средах с примесями – разрушение, связанное с нагревом примесей.

Считается, что в области импульсов наносекундного диапазона разрушение определяется поглощением на инородных включениях, т. е. несобственным механизмом поглощения излучения, тогда как при воздействии импульсов фемтосекундной длительности – собственным механизмом поглощения (ударной и многофотонной ионизацией). Разделение механизмов поглощения на собственные и несобственные основано на различных механизмах поглощения излучения, но завершающая стадия разрушения (формирование повреждения) определяется только поглощенной за время импульса энергией, размерами области взаимодействия и отводом тепла из области.

Процесс формирования трещины не зависит от механизма поглощения энергии лазерного излучения, он одинаков для собственных механизмов поглощения (ударная и многофотонная ионизация) и механизмов, связанных с поглощающими включениями. Трещина формируется по механизму отрыва, так что необходимое условие её формирования имеет вид:

(5)

где - тангенциальная компонента тензора напряжений,

- предел прочности твёрдого тела.

Однако выполнение неравенства (5) недостаточно для образования трещины. Трещина всегда имеет конечный размер, поэтому для её формирования необходима конечная энергия. В случае сферической области взаимодействия с радиусом R эта энергия равна:

(6)

где γ – плотность поверхностной энергии твердого тела.

Следовательно, трещина будет формироваться, если энергия поля деформации в окрестности локального нагрева будет превышать E_m

(7)

где – энергия лазерного импульса,

– коэффициент, определяющий долю поглощенной энергии,

– коэффициент связности.

Причём

(8)

где – коэффициент линейного расширения,

c – теплоёмкость,

– коэффициент Пуассона,

– продольная скорость звука,

Т₀ – температура до воздействия лазерного импульса.

Условие (7) можно записать в других эквивалентных формах. Так как в области взаимодействия энергия импульса связана с мощностью излучения Р:

(9)

где – длительность импульса, то (7) можно преобразовать к виду:

(10)

Неравенство (10) означает, что в области импульсов малой длительности ( ) образование трещины при воздействии излучения с пороговой интенсивностью невозможно.

Численная оценка для плавленого кварца дает 50 пс, экспериментальное значение при тех же условиях дает переход от образования трещины к абляции при = 20 пс.

Неравенство (7) позволяет получить и другое ограничение, связанное с требованием конечности размера области локального нагрева для формирования разрушения. Для сферической области взаимодействия:

(11)

где – коэффициент поглощения,

– плотность энергии в импульсе.

Тогда (7) можно переписать в виде:

(12)

Смысл соотношений (11, 12) следующий: поглощенная энергия лазерного излучения пропорциональна R³, в то время как энергия трещины пропорциональна R². С уменьшением R энергия, необходимая для возникновения трещины, уменьшается медленнее, чем поглощенная энергия, так что для достаточно малого размера области взаимодействия поглощенной энергии будет не достаточно, для формирования трещины. Следует заметить, что неравенство (5) выполняется и для малых областей взаимодействия, тогда как условие (7) нет. Тем самым эти условия независимы и для развития трещины должны выполняться одновременно. Значения для оценки для плавленого кварца:

при ,