3.1.3. Роль вынужденного рассеяния Мандельштама  Бриллюэна

Этот механизм возбуждения звуковых волн в среде основан на явлении рассеяния световых волн на тепловых упругих волнах. Это типичный пример нелинейного взаимодействия волн в веществе. Важно, что слабые в начале звуковые волны могут в результате электрострикционного взаимодействия привести к вынужденному процессу, в котором значительная доля энергии излучения может быть преобразована в энергию гиперзвуковых волн. При этом теоретически возможная максимальная интенсивность звука равна ~ ( – мощность лазерного излучения, , – частота звуковой и световой волн, соответственно). Реально коэффициент трансформации не превышает долей процента.

Сразу же отмстим, что эффективная перекачка энергии из падающей световой волны в звуковую волну и волну рассеянного света возможна при выполнении, так называемого, условия синхронизма для волновых векторов и частот

, (3.15)

где , , , , , – волновые вектора и частоты звуковой волны, падающей световой и рассеянной световой волн в среде, соответственно. Необходимая для этого нелинейность показателя преломления в веществе может возникнуть как за счет давления, так и за счет температуры

.

Давление в среде может изменяться при действии внешнего электрического (светового) поля (явление электрострикции). Микроскопической причиной электрострикции является взаимодействие зарядов, связанных в среде, с внешним полем. Избыточное давление в изотропном диэлектрике приводит к изменению диэлектрической проницаемости среды и, соответственно, к изменению показателя преломления

, (3.16)

где – коэффициент изотермической сжимаемости, – напряженность электрического поля в лазерном пучке.

В основе теплового механизма лежит зависимость диэлектрической проницаемости вещества от температуры, зависящей от диссипации энергии лазерного излучения в среде. При этом существенную роль играют оптические свойства, атомно-молекулярная структура, непрозрачные макроскопические примеси в веществе.

Зависимость изменения диэлектрической проницаемости среды от температуры имеет вид

, (3.17)

где – диэлектрическая проницаемость среды в отсутствии светового поля, – показатель поглощения, – плотность, – теплоемкость.

Из (.15), (.16) и (.17) следует, что при взаимодействии лазерного излучения с прозрачными и поглощающими средами возникает ряд явлений, приводящих к возбуждению упругих колебаний среды в большом диапазоне частот от 16 Гц (инфразвук) до 10¹³ Гц (гиперзвук). Звуковая волна может сама по себе приводить либо к разрушению среды, если амплитуда звуковой волны больше предела упругости материала, либо к уменьшению интенсивности падающего лазерного потока вследствие перекачки его энергий в звуковые колебания среды.

3.2. Тепловой механизм оптического пробоя реальных сред

Экспериментально выявлен ряд типичных разрушений реальных прозрачных сред:

- разрушение поверхности стеклянных (или кварцевых) конструкционных деталей (пластин, призм, линз) при появлении непрозрачных макроскопических, локальных образований (например, пыли);

- разрушение тонкопленочных металлических и диэлектрических зеркальных покрытий при наличии непрозрачного дефекта в покрытии или появлении на покрытии пыли или других непрозрачных, макроскопических локальных образований;

- разрушения внутри стекол, кристаллов, активных элементов, возникающие на макроскопических локальных примесях или дефектах, имеющихся внутри данной среды.

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.