0. Изменение поглощательной способности прозрачных диэлектриков в процессе лазерного облучения

При действии лазерного излучения на прозрачные диэлектрики может возникать их разрушение (оптический пробой). Разрушению диэлектрика предшествует увеличение его поглощения в локальной области лазерного воздействия. Изменение поглощения прозрачных твердых тел под действием лазерного излучения обычно рассматривают с двух позиций: изменения, возникающие в идеально чистых средах, и изменения, обусловленные различного рода дефектами структуры и примесями, поскольку в этих случаях различны действующие механизмы. В чистой среде – это увеличение свободных носителей, на которых происходит поглощение. В средах с дефектами и примесями – изменения, связанные с локальным нагревом при поглощении излучения на неоднородности. Эти явления, являясь нелинейными эффектами, зависят 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.

0.0. Физические представления о механизмах изменения поглощения в идеальных диэлектриках

При больших интенсивностях лазерного излучения необходимо принимать во внимание нелинейные эффекты, возникающие при поглощении квантов света. Кроме того, в исходно нейтральной среде под действием лазерного излучения образуется плазма, сильно поглощающая излучение, падающее на вещество. В общем случае плазма - это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных или отрицательных зарядов практически одинаковы.

В предыдущих главах мы говорили о плазме твердых тел как о совокупности подвижных, участвующих в электропереносе носителей заряда, взаимодействующих посредством кулоновских сил. Плазма типичных металлов – это сильно вырожденная электронная ферми-жидкость.

Оказалось, 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.

Энергия плазменных колебаний квантована, квант плазменных колебаний – это плазмон. Физическая природа плазменных колебаний обусловлена тем, что флуктуации плотности заряда создают электрическое поле, которое вызывает ток, стремящийся восстановить электронейтральность; из-за инерции носители заряда «проскакивают» положение равновесия, что и приводит к коллективным колебаниям.

Рассматривая природу взаимодействия лазерного излучения с полупроводниками, мы оперировали с плазмой неравновесных носителей заряда, т.е. с электронами и дырками, генерация которых происходит в поле электромагнитного излучения. Своеобразие полупроводников состоит в существовании двух отличающихся по частоте плазменных мод. Высокочастотная мода обусловлена колебаниями всех электронов валентной зоны и аналогична плазменным колебаниям простых металлов. Энергии плазмонов (квантов продольных колебаний валентных электронов относительно ионного остова) обычно 14-17 эв. Низкочастотная мода обусловлена колебаниями электронов проводимости или дырок: газ свободных носителей колеблется относительно хаотически расположенных в кристаллической решетке ионизованных донорных или акцепторных примесных центров с энергией плазмонов 0,01-0,1эв.

Когда лазерное излучение падает на поверхность твердого тела, то плазменные процессы происходят как внутри твердого тела, так и в окружающей среде (воздух, газ).

На примере взаимодействия излучения с газами рассмотрим процессы, ведущие к образованию плазмы, то есть к фотоионизации вещества.