0.0.4. 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
,
(0.8)
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
,
(0.9)
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
,
(0.10)
где
– диэлектрическая проницаемость среды
в отсутствии светового поля,
– показатель поглощения,
– плотность,
– теплоемкость.
Из (0.8), (0.9) и (0.10) 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.
0.1. Оптические свойства реальных оптических материалов и покрытий
При измерении оптических свойств материалов обычно не принимают во внимание их локальные изменения в областях с размерами меньшими длины волны излучения, поскольку они не вносят значительных искажений в прошедшую или отраженную световую волну. Однако при воздействии лазерного излучения с большой плотностью мощности такие локальные неоднородности оптических свойств могут приводить к значительному изменению поглощения.
Известно, что при механической полировке хрупких материалов на поверхности остается так называемый трещиноватый слой, возникновение которого определяется действием локальных напряжений при давлении зерен полирующего порошка на поверхность. Кроме того, при полировке возможно образование микроцарапин, которые не влияют на оптические свойства поверхности при действии излучения малой интенсивности. При полировке пластичных материалов (металлов) возможно внедрение частиц полирующего порошка в приповерхностный слой, причем эти частицы могут оказаться в глубине материала на некотором расстоянии от поверхности.
При наличии в прозрачной среде локальных макроскопических примесей или дефектов с большим коэффициентом поглощения излучения эти локальные области быстро нагреваются, что и служит, в конечном счете, причиной разрушения прозрачной среды. Таким образом, при наличии примесей речь идет о тепловом разрушении прозрачных сред.
В результате поглощения энергии лазерного излучения этими локальными областями в них очень быстро (за время лазерного импульса) увеличивается температура, соответственно увеличивается давление, приводящее к растрескиванию стекла (кристалла) в небольшой области вокруг примеси (дефекта), увеличение температуры приводит к сгоранию покрытия, нанесенного на подложку.