0.1.3. Размерная зависимость порога пробоя

В идеальном диэлектрике пробой определяется возникновением лавинного роста концентрации электронов. Как уже было отмечено, порог оптического пробоя идеальных диэлектриков при малых объемах фокусировки выше, чем при больших (см. стр. Error: Reference source not found). Согласно (0.40) концентрация электронов зависит от величины потерь . Потери зависят кроме всего и от диффузионного ухода электронов из области облучения. Поэтому, чем больше размер области облучения, тем меньше электронов успеет покинуть ее в течение импульса за счет диффузии – порог оптического пробоя будет ниже. При дальнейшем увеличении области облучения, когда она станет много больше характерного размера диффузии электронов, порог пробоя станет постоянным.

При наличии в прозрачной среде поглощающих дефектов различных размеров пробой носит статистический характер (см. предыдущий раздел). При известном распределении вероятности пробоя от плотности мощности лазерного излучения, можно рассчитать все моменты этого распределения, в том числе и определяемую первым моментом размерную зависимость порога пробоя. Для рассмотренной выше простейшей задачи размерная зависимость порога пробоя имеет вид

.

Естественно, что при увеличении в реальных условиях не будет стремиться к 0, поскольку для развития тепловой неустойчивости на дефекте даже большого размера ( ) требуется вполне определенная, не нулевая плотность мощности.

Контрольные вопросы к разделу 3

1. Какие ограничения на параметры лазерного излучения накладывает оптический пробой в прозрачных для излучения средах?

2. Назовите основные механизмы развития оптического пробоя.

3. Опишите эволюцию фронта плазмы в оптическом пробое в воздухе.

4. Какое взаимодействие является определяющим в переходе Мотта диэлектрик-металл?

5. Каким образом статистический характер оптического пробоя поверхности и объема прозрачных материалов объясняет размерную зависимость оптического пробоя?

6. Почему стойкость материалов к мощному лазерному излучению в режиме многократного воздействия во многих случаях ниже, чем при однократном облучении?

7. Как температура тепловой неустойчивости зависит от размера поглощающей неоднородности?

8. Какова размерная зависимость порога оптического пробоя согласно модельному представлению разогрева объема материала вокруг поглощающей неоднородности малого радиуса световым потоком постоянной плотности?

Глава 0. Воздействие сверхкоротких лазерных импульсов на материалы

При воздействии на вещество импульсов излучения пико- и фемтосекундной длительности складывается новая ситуация, когда время перехода световой энергии в тепловую оказывается больше длительности импульса, так что нагревание кристаллической решетки и все остальные тепловые процессы происходят после его окончания. В этом случае воздействующий лазерный импульс иногда называют импульсом накачки.

В традиционной двухтемпературной модели (см. раздел 0.2.0) предполагается, что почти вся энергия, поглощенная металлом или полупроводником запасается в электронном газе. Эта модель достаточно успешно была применена для анализа воздействия сверхкоротких импульсов на поглощающие материалы, однако она смогла объяснить далеко не все экспериментальные результаты. Были выявлены особенности в процессах лазерной абляции¹ металлов и полупроводников, значительный перегрев твердых тел выше температуры плавления, процессы разупорядочивания кристаллов (интерпретируемые как нетермическое плавление) и выноса материала, происходящие при малых температурах решетки.

Что касается силового действия сверхкоротких лазерных импульсов на прозрачные материалы, то здесь в стадии становления находятся методы анализа существенно нелинейного взаимодействия света с веществом, когда оптические свойства последнего являются функцией напряженности светового поля.

Поскольку сейчас еще нет общепринятых моделей нетепловых процессов, происходящих при воздействии сверхкоротких лазерных импульсов на вещество, мы посчитали возможным не обсуждать предлагаемые различными авторами модели процессов, а привести результаты некоторых экспериментов, в которых такие явления обнаружены. Выбор работ определяется их «идейной» непротиворечивостью с принятым в предыдущих главах подходом, а также собственными научными интересами авторов и не претендует на полноту.

Для детального анализа процессов в эксперименте требуется измерять различные характеристики процессов абляции с пико- и фемтосекундным временным разрешением, что само по себе является достаточно сложной задачей. Некоторые характеристики вообще сложно измерить непосредственно, поэтому анализ физических механизмов, вовлеченных в абляцию под действием сверхкоротких лазерных импульсов, приходится делать на основе теоретического анализа "косвенных" экспериментальных данных.