3. Современные представления об оптическом пробое прозрачных сред

В 1 части рассмотрено распространение излучения в прозрачных средах. Однако известно, что под действием лазерного излучения прозрачные среды могут разрушаться. Катастрофическое развитие повреждения, возникающего при действии лазерного излучения на прозрачную для излучения среду, называют оптическим пробоем. Оптический пробой ограничивает предельные значения энергии и мощности лазерного излучения, которые можно получить с одного активного элемента. Системы транспортировки и формирования лазерного излучения технологических установок также состоят из прозрачных линз, призм и тому подобных элементов, а излучение распространяется в воздухе, поэтому разрушение этих элементов и пробой воздуха также накладывают ограничения на энергию и мощность излучения.

Характер действия лазерного излучения на прозрачные материалы зависит от плотности мощности/энергии лазерного излучения. Если они не превышают некоторого допустимого (порогового) значения, то лазерный луч проходит через прозрачный материал, не повреждая, а лишь нагревая его. При превышении порогового значения происходит разрушение материала, которое выглядит как оплавление, испарение, растрескивание или их совокупность, в газах возникает искра. Анализ повреждений, возникающих при действии лазерного излучения на прозрачные материалы, свидетельствует о том, что механизмы развития оптического пробоя различны, но они могут действовать одновременно. Так, например, процесс разрушения может начаться с маленького откола, вызванного гиперзвуковой волной, что приводит к увеличению поглощения лазерного излучения. Это приводит к включению других механизмов разрушения вплоть до испарения. При оптическом пробое некоторых диэлектриков обнаруживается статистическая зависимость порога пробоя. Это явление объясняют влиянием на пробой неоднородности реальных материалов: наличием в них дефектов различного рода.

Разрушения, возникающие в прозрачных твердых телах под действием лазерного излучения, целесообразно разделить на разрушения, возникающие в идеально чистых средах, и разрушения, обусловленные различного рода дефектами структуры и примесями, поскольку в этих случаях различны механизмы, приводящие к разрушению. В чистой среде – это оптический пробой, качественно аналогичный пробою в газе, в средах с дефектами и примесями – разрушения, связанные с локальным нагревом при поглощении излучения на неоднородности. Пробой, являясь нелинейным эффектом, зависит от мощности излучения, а нагрев неоднородности – в основном от энергии излучения. Следует отметить, что на практике оба случая реализуются одновременно, так как идеально чистых прозрачных материалов в природе не существует.

3.1. Физические представления об оптическом пробое идеальных диэлектриков

Оптический пробой, возникающий в идеальных (бездефектных) прозрачных диэлектриках, находящихся в различных агрегатных состояниях (газовом, жидком, кристаллическом), качественно описывается в рамках одного физического процесса, отвечающего за превращение прозрачной среды в сильно поглощающую под действием мощного светового потока. Главные черты этого явления остаются неизменными: исходно прозрачное, нейтральное вещество ионизируется, образуется плазма, если ее плотность достигает значений, близких к критическим, то лазерное излучение эффективно поглощается в плазме, нагревая ее до высокой температуры.

Основной вклад в энергетику процесса взаимодействия лазерного излучения с веществом вносит электрическое поле электромагнитной волны, поэтому в литературе встречается наряду с термином «оптический пробой» термин «электрический пробой». Подчеркнем, что для разных сред и разных частот лазерного излучения существуют свои особенности возникновения и протекания оптического пробоя.

При больших интенсивностях лазерного излучения необходимо принимать во внимание нелинейные эффекты при поглощении света. Кроме того, при оптическом пробое резко изменяется поглощение среды вследствие изменения агрегатного состояния самой среды. В исходно нейтральной среде под действием лазерного излучения образуется плазма, сильно поглощающая излучение, падающее на вещество. Известно, что поглощение излучения в плазме зависит от соотношения частоты излучения и плазменной частоты . Максимальное поглощение излучения достигается при . Плазменная частота ( – заряд электрона, – его масса, – диэлектрическая проницаемость среды) зависит от плотности гармонических осцилляторов (плотности свободных электронов). По мере роста степени ионизации под действием лазерного излучения увеличивается и, следовательно, увеличивается . При достижении критической плотности ( ) плазма становится непрозрачной для электромагнитной волны.

Поэтому при анализе оптического пробоя требуется

а) выявить механизмы пробоя, оценить вклад основных процессов в ионизацию среды;

б) установить динамику процесса образования и развития плазмы.

Рассмотрим процессы, ведущие к фотоионизации вещества, то есть к образованию плазмы, на примере оптического пробоя газов.