книги из ГПНТБ / Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения

и прозрачные полимеры. Будет сделай также обзор теорий, разви­ тых для объяснения механизмов повреждения лазерным излуче­ нием. Имеется несколько предположительных механизмов пробоя. Экспериментальная ситуация недостаточно ясна, чтобы можно было отдать предпочтение одному из этих механизмов. При разных обстоятельствах могут играть роль различные механизмы. Глав­ ными предполагаемыми механизмами являются: 1) образование фононов (гиперзвука) в процессе вынужденного рассеяния Ман­ дельштама — Брпллюэна; при этом интенсивность фононов может достигать величины, при которой звуковая волна вызывает разру­ шение материала; 2) поглощение света дефектами, первоначально присутствующими в материале, в результате которого возникает тепловой удар и появляется микроплазма; 3) явления, связанные с электронной лавиной, при которой свободные электроны, погло­ щающие лазерное излучение, ускоряются в электрическом поле, приобретая энергию, достаточную для ударной ионизации атомов вещества, в результате чего увеличивается число свободных электронов. Этот процесс приводит к поглощению лазерного света п, следовательно, к интенсивному локальному нагреву. Предпо­ ложительными источниками начальных электронов, необходимых для возникновения лавины, являются многофотонное поглощение и поглощение при внутризонных переходах. Последний из ука­ занных механизмов очень тесно связан с явлением обычного пробоя диэлектриков под действием статического электрического поля высокой напряженности.

Кроме того, экспериментальные данные показывают, что на процесс разрушения влияет самофокусировка лазерного излу­ чения. Хотя сама по себе самофокусировка не является механиз­ мом повреждения, было обнаружено, что она способствует возник­ новению повреждения. Прежде чем продолжить более подробное обсуждение разрушения диэлектриков, мы рассмотрим явления самофокусировки и вынужденного рассеяния Мандельштама — Брпллюэна (ВРМБ), что необходимо для понимания процессов, повреждения х).

§ 2. ЯВЛЕНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С РАЗРУШЕНИЕМ ДИЭЛЕКТРИКОВ

1. Самофокусировка оптических лучей

Явление самофокусировки лазерных лучей не имеет прямого отношения к кругу вопросов, рассматриваемых в данной книге. Однако это явление необходимо кратко описать, поскольку

1)Отметим также механизм разрушения, связанный с температурными на­ пряжениями при неоднородном нагревании за счет малого остаточного поглощения. Исследованию этого механизма посвящено значительное чпсло работ, среди которых отметим [98—101].— Прим. ред.

оно связано с образованием повреждения. В некоторых условиях интенсивный лазерный луч, проходя через материал, может рас­ пространяться без заметного расхождения. Это вызвано тем, что в сильном электрическом поле, связанном с лазерным лучом, показатель преломления вещества (которое в. отсутствие света может быть однородным) возрастает. Так как интенсивность

вцентре луча невелика, возрастание показателя преломления будет наибольшим в центре луча; скорость распространения света

вцентре луча будет меньше, чем на его краях. Этот эффект может привести к фокусированию луча и препятствовать его расхожде­ нию. В сущности, лазерный луч создает свой собственный волно­

вод 1).

В работе [5] наблюдалась самофокусировка в сероуглероде. Для этого внутри кюветы с жидкостью, через которую проходил лазерный луч, в разных точках были помещены делители луча. Части луча, отводимые каждым из делителей, фокусировались и фотографировались. Полученные фотографии позволили просле­ дить изменение профиля лазерного луча на его пути через кювету с жидкостью. После того как луч проходил в жидкости некоторое расстояние, возникала яркая нить диаметром порядка 100 мкм. Нить сохранялась на расстояниях, гораздо больших того, на кото­ ром луч должен был бы разойтись вследствие дифракции. Это было первое прямое экспериментальное наблюдение самофоку­ сировки лазерного луча.

Явление самофокусировки широко исследовано [6—8]. В мате­ риалах, через которые проходят лазерные лучи, были обнаружены яркие световые нити. При диаметре луча около 1 мм порог само­ фокусировки составляет по порядку величины десятки киловатт. В процессе прохождения луча через жидкость изменяется его пространствепньш профиль: на расстоянии нескольких санти­ метров от входа луча возникают нити, простирающиеся на длину порядка десятков сантиметров. Первые измерения показали, что диаметр этих нитей составляет приблизительно 50—100 мкм. Обнаружены также мелкомасштабные нити диаметром около 5 мкм. Самофокусировка в газах уже была рассмотрена в гл. 5.

Может показаться, что при самофокусировке нарушаются законы дифракции, так как произведение угла расходимости

ОЯвление самофокусировки было предсказано в общем виде в работе [102]. Исследования показали, что существует большое разнообразие конкрет­ ных механизмов самофокусировки и расфокусировки интенсивного излу­ чения [103—105]. Детально исследовалась структура поля при самофоку­ сировке [106—110]. Выло показано (см., в частности, [107]), что в случае

те [111] модель одномерной самофокусировки, для которой имеется точ­ ное решение. Экспериментально самофокусировка впервые наблюдалась в работе [135].— Прим. ред.

луча на его поперечное сечение в области захвата может быть очень малым. Однако это противоречие можно разрешить, считая, что расходимость луча по-прежнему велика, а луч фокусируется непрерывно изменяющимися линзами.

Явление самофокусировки важно учитывать при наблюдении комбинационного рассеяния и ВРМБ, так как значительное возра­ стание интенсивности лазерного излучения в процессе самофоку­ сировки означает, что рассеяние в основном будет происходить в этих нитях х). Косвенные данные по самофокусировке луча были получены из исследования вынужденного комбинационного рас­ сеяния [9—11]. Так как ВРМБ имеет отношение к растрескиванию прозрачных материалов, в общую картину лазерного разрушения материалов следует включить описание явления самофокусировки.

Время жизни нитей составляет около 10-10 с [8]; после этого нити становятся нестабильными и расширяются вследствие нагре­ ва. По существу, весь захваченный в нити лазерный свет может трансформироваться в рамановскую или бриллюэновскую компо­ ненты. Такая трансформация света приводит к неустойчивости нити.

В одной из первых работ [12] было описано явление самофоку­ сировки в предположении, что рост показателя преломления пропорционален квадрату напряженности электрического поля Е :

Чтобы увеличение показателя преломления приводило к точной компенсации расходимости, связанной с дифракцией, мощность Р в луче диаметром D должна удовлетворять следующему условию:

где с и А, — скорость света и длина волны. Это соотношение, полученное в простом приближении, устанавливает связь между диаметром нити и уровнем мощности, необходимым для самофо-)*

*) С помощью лазеров было изучено много видов рассеяния. При комбина­ ционном рассеянии происходит сдвиг частоты падающей световой волны на величину, равную колебательной частоте облучаемой молекулы. Частота может увеличиться или уменьшиться, и величина сдвига является характеристикой рассеивающего материала. При классическом комбина­ ционном рассеянии рассеянный свет однородно распределен по всем направлениям. Существует также вынужденное комбинационное рассея­ ние (ВКР), наблюдаемое в том случае, когда интенсивность света превы­ шает некоторую пороговую величину. При ВКР сдвиги частоты рассеян­ ного света те же, что и в классическом случае, однако при этом рассеянное излучение сильно коллимировано. Используя ВКР, можно создать лазеры, генерирующие разные частоты. При рассеянии Мандельштама — Бриллюэна, которое будет описано ниже, сдвиг частоты равен частоте фононов, характерной для данного вещества. Возможны как обычное, так и вы­ нужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна.

кусировки. Если в эту формулу подставить нужные числа, то получим полную мощность, необходимую для самофокусировки, порядка 10е Вт, что приблизительно согласуется с измеренными на опыте величинами. Наибольшее число наблюдений было выпол­ нено в жидкостях, но сделанные при этом выводы остаются в силе

идля твердых тел.

Внастоящее время принято считать, что главный механизм ■самофокусировки в жидкостях связан с эффектом Керра, при котором анизотропные молекулы ориентируются в направлении

приложенного электрического поля. Мы не будем углубляться в детали теоретических и экспериментальных работ, которые ■специально посвящены эффекту Керра. Укажем лишь, что вели­ чина 722 вполне достаточна для возникновения самофокусировки. В случае очень коротких импульсов, например при синхронизации мод, длительность импульса может оказаться недостаточной для того, чтобы произошел поворот молекул, вследствие чего эффективность самофокусировки уменьшится [13]. Для наших целей важно в принципе указать на существование явления само­ фокусировки и на его связь с образованием повреждений. Наличие самофокусировки может привести к увеличению повреждений, поскольку при этом возникают локальные области, в которых интенсивность облучения достигает значений, во много раз превы­ шающих средние. Самофокусировка также затрудняет определение порогов повреждения, поскольку нельзя быть уверенным в том, что сечение луча в области повреждения определено правильно.

2. Вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна

Это явление не относится к числу основных вопросов, которые мы рассматриваем в этой книге. Однако для понимания процессов повреждения в прозрачных твердых телах необходимо дать краткое описание вынужденного рассеяния Мандельштама — Бриллюэна [14]. Это рассеяние вызвано взаимодействием между полем оптической электромагнитной волны и акустическим полем. Электрическое поле светового луча вызывает электрострикцию, которая в свою очередь создает в веществе давление и приводит к появлению акустической волны. Эту ситуацию можно рассмат­ ривать как параметрическое усиление, при котором

Здесь Юр — круговая частота падающего света, ю; — угловая частота рассеянного света и ю8 — угловая частота звуковой волны. При рассеянии Мандельштама — Бриллюэна в веществе

возбуждаются акустические фононы, т. е. возникают звуковые волны с частотами порядка 1010 Гд.

Обычное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна давно изве­ стно как рассеяние света на термически возбужденных звуковых волнах. Частота рассеянного света оказывается смещенной на вели­ чину, определяемую энергией звуковой волны. Если световая волна имеет достаточно большую амплитуду, то рассеяние про­ исходит на акустических колебаниях, вызванных самой световой волной. Между световой п акустической волнами происходит интенсивный обмен энергией. Как рассеянный свет со смещенной частотой, так и акустическая волна возникают в результате вынужденного когерентного процесса, который называют вынуж­ денным рассеянием Мандельштама — Бриллюэна. Под действием электрического поля светового луча в результате электрострпкции образуется акустическая волна, которая в свою очередь модули­ рует оптическую диэлектрическую постоянную материала. Макси­ мальная величина изменения энергии пропорциональна со „/сор и составляет приблизительно 10-4 от энергии падающего излу­ чения. Впервые ВРМБ было обнаружено в кварце и сапфире путем интерферометрического исследования рассеянного лазер­ ного света с соответствующим сдвигом по частоте [15].

Рассматривая этот процесс как параметрическое усиление волн с частотами соs и со; в поле излучения с частотой сор, можно прийти к пороговому условию. Если взаимодействие является достаточно сильным и усиление превышает потери, то интенсивности воли с частотами сог и cos экспоненциально возрастают. Приближенное пороговое условие имеет вид (в едпнхщах МКС) [14]

электрострпкции материала (равный р deldp, где р — плотность). Согласно этой формуле, пороговая мощность, приходящаяся на единицу площади, по порядку величины равна 107 Вт/сма. Такая интенсивность легко может быть получена. В действи­ тельности за счет явления самофокусировки интенсивность в обра­ зующихся нитях обычно превышает порог ВРМБ, поэтому наблю­ даемые пороговые уровни обычно связаны с порогом самофоку­ сировки. Во всяком случае, в жидкостях наблюдаемое ВРМБ в большинстве случаев оказывается связанным с самофокусирую­ щимися пучками.

В первых опытах по наблюдению ВРМБ наряду с возникно­ вением рассеянного и смещенного по частоте света происходило повреждение кварца и сапфира [15]. В связи с этим большинство

работ по исследованию ВРМБ было выполнено на жидкостях, которые в меньшей степени, чем твердые тела, подвержены оста­ точным повреждениям. Причиной повреждения материала может быть давление, возникающее при усилении гиперзвуковой волны в процессе ВРМБ. Поэтому мы решили включить краткое обсуж­ дение ВРМБ и самофокусировки. В дальнейшем будут рассмотрены экспериментальные данные, показывающие, что в процессе вынуж­ денного бриллюэновского рассеяния может происходить повреж­ дение материалов, прозрачных при малых уровнях мощности излучения. Перейдем теперь к описанию природы повреждений, вызываемых лазерным излучением в прозрачных веществах.

§ 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ В ПРОЗРАЧНЫХ ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

1. Виды повреждений

Действие мощного лазерного излучения на твердые тела может вызвать самые различные типы повреждений. Эти повреждения могут иметь вид микротрещин внутри образцов или обширных раздробленных участков и расплавленных пустот. Другими типами повреждений могут быть поверхностные сколы и кратеры глубиной около миллиметра. Некоторые примеры повреждений в стеклах показаны на фиг. 6.1. Повреждения могут быть вызваны излучением лазеров как с модулированной доброт­ ностью, так и с миллисекундным импульсом. Точные механизмы ■образования повреждений являются предметом дискуссий в лите­ ратуре. Для объяснения причин повреждения были предложены разные модели. Возможно, что во многих случаях действуют одновременно несколько механизмов. В частности, повреждение может начаться с маленького раскола, вызванного гиперзвуковой волной. Сразу же после возникновения первого повреждения падающий свет начинает поглощаться внутри материала, вызывая ■его нагрев. Более подробно механизмы разрушения будут описаны после изложения экспериментальных результатов.

Во многих работах детально исследовался характер поврежде­ ния (.микроструктура повреждения). Некоторые типичные виды повреждений схематично показаны на фиг. 6.2 [16]. Разрушение ^в стекле, вызванное излучением лазера с модулированной доброт­ ностью, может иметь нитевидный характер и простираться на зна­ чительную длину (фиг. 6.1, в и 6.2, в). Детальное исследование

нитей показывает, что они состоят из скоплений пузырьков. При возрастании энергии луча пузырьки перекрываются и обра­ зуют большую полость с исходящими из нее трещинами (фиг. 6.3).

Также образования явно вызваны самофокусировкой. Не привле­ кая эффектов самофокусировки, трудно понять, каким образом повреждение может концентрироваться в столь узкой области;

следовало бы ожидать, что повреждение должно заполнить конус, образуемый световым лучом, сходящимся к фокусу.

В щелочно-галоидных кристаллах, таких, как фторид лития, трещины возникают в плоскостях скола. Разрушение, вызванное

Падающий. свет

Ф и г. 6,3.

Схематическое изображение зоны раскола в стекле под действием излучения рубинового лазера с модулированной добротностью, показывающее перекры­ тие пузырьковых структур.

излучением лазера с модулированной добротностью, оставляет трещины, содержащие много маленьких, близко расположенных микротрещин. Эти трещины ориентированы под определенным углом к лазерному лучу, обычно перпендикулярно к нему, если лазерный луч направлен вдоль кристаллической оси. Например,