- •Часть II
- •1. Лазерный нагрев материалов 6
- •2. Лазерное разрушение поглощающих материалов 83
- •3. Современные представления об оптическом пробое прозрачных сред 121
- •Введение
- •1. Лазерный нагрев материалов
- •1.1. Общая характеристика нагревания лазерным излучением
- •1.1.1. Тепловые эффекты в конденсированных средах
- •1.1.2. Основные особенности температурной кинетики при лазерном воздействии
- •1.1.3. Теплопроводностные механизмы отвода тепла. Уравнение теплопроводности, начальное и граничные условия
- •1.2. Термические эффекты, сопровождающие лазерный нагрев
- •1.2.1. Термомеханические эффекты
- •1.2.2. Фазовые переходы в твердом состоянии (лазерное упрочнение)
- •1.2.3. Эмиссионные процессы
- •1.2.4. Основные особенности лазерной активации процессов аррениусовского типа
- •1.2.5. Диффузионно-химические явления
- •1.2.6. Лазерное плавление поверхности
- •1.2.6.1. Вакансионная модель плавления.
- •1.3. Линейные режимы лазерного нагрева.
- •1.3.1. Нагрев полупространства экспоненциально спадающим с глубиной тепловым источником.
- •1.3.2. Нагрев металла импульсным излучением постоянной мощности
- •1.3.3. Нагрев материала лазерным пучком с гауссовым профилем
- •1.3.4. Нагрев материала постоянным лазерным излучением, луч сфокусирован в пятно круглого сечения.
- •1.3.7. Нагрев материалов в интерференционном лазерном поле.
- •1.3.8. Особенности нагрева материала движущимся световым пятном.
- •1.4. Нелинейные режимы лазерного нагрева.
- •1.4.1. Нагрев с учетом температурной зависимости поглощательной способности.
- •1.4.2. Нагрев окисляющихся металлов лазерным излучением. Термохимическая неустойчивость
- •1.4.3. Экзотермические эффекты при импульсном лазерном воздействии на металлы
- •2. Лазерное разрушение поглощающих материалов
- •2.5. Общая характеристика механизмов лазерного разрушения
- •2.1. Механическое низкотемпературное разрушение хрупких материалов.
- •2.1.1. Разрушение упругими напряжениями.
- •2.1.2. Разрушение остаточными напряжениями.
- •2.2. Химические механизмы разрушения
- •2.3. Высокотемпературные механизмы с участием испарения
- •2.4. Поляритонный механизм формирования лазерно-индуцированного поверхностного рельефа
- •2.5. Лазерное испарение.
- •2.5.1. Кинетика испарения плоской поверхности.
- •2.5.1.1. Испарение в вакуум и среду с противодавлением
- •2.5.1.2. Температурная граница перехода от нагрева к испарению
- •2.5.2. Теплофизика перехода от нагрева к испарению
- •2.5.3. Одномерная задача о лазерном нагреве с испарением.
- •2.5.3.1. Установление стационарного режима. Определение квазистационарных параметров.
- •2.5.3.2. Зависимость температуры и скорости лазерного разрушения от плотности светового потока.
- •2.5.4. Вытеснение расплава избыточным давлением паров
- •2.6. Свойства лазерного пара и плазмы, их влияние на процесс разрушения
- •3. Современные представления об оптическом пробое прозрачных сред
- •3.1. Физические представления об оптическом пробое идеальных диэлектриков
- •3.1.1. Оптический пробой газов
- •3.1.1.1. Многофотонная ионизация
- •3.1.1.2. Лавинная ударная ионизация
- •3.1.2. Оптический пробой идеально чистых твердых тел
- •3.1.2.1. Туннельное поглощение; переход Мотта диэлектрик-металл.
- •3.1.3. Роль вынужденного рассеяния Мандельштама Бриллюэна
- •3.2. Тепловой механизм оптического пробоя реальных сред
- •3.2.1. Роль микронеоднородностей в зарождении поглощения и пробое
- •3.2.1.1. Оптические свойства реальных оптических материалов и покрытий
- •3.2.1.2. Основные экспериментальные закономерности и особенности оптического пробоя и разрушения оптически неоднородных сред
- •3.2.2. Механизмы инициирования объемного поглощения в первоначально прозрачной среде
- •3.2.3. Тепловая неустойчивость
- •3.2.4. Статистическая концепция оптического пробоя
- •3.2.5. Размерная зависимость порогов пробоя
- •Контрольные вопросы Список рекомендуемой литературы История кафедры
- •Галина Дмитриевна Шандыбина Взаимодействие лазерного излучения с веществом (силовая оптика).
3.2.1. Роль микронеоднородностей в зарождении поглощения и пробое
Было установлено, что 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 идет речь 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.
3.2.1.1. 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 возникновению оптического пробоя.
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.
Хорошо известно, что локальное поле вблизи неоднородной структуры на поверхности, имеющей малый радиус кривизны, может быть намного сильнее среднего поля в объеме. Следовательно, оптический пробой с большей вероятностью произойдет вблизи таких центров концентрации локального поля, что и приводит к заметному уменьшению порога пробоя на поверхности.
Несовершенство поверхности можно устранить, применяя, например, химическую полировку, при которой трещиноватый слой и царапины могут быть удалены. Такие, хорошо полированные поверхности действительно имеют порог пробоя, приближающийся к порогу пробоя в объеме. Другой способ устранения высокой напряженности локального поля вблизи неоднородных структур на поверхности заключается в создании поверхностного слоя с постепенным изменением показателя преломления. Порог пробоя для такой поверхности также приближается к объемному.
Изготовление (варка) стекла способствует появлению локальных микроскопических загрязнений (примесей). Варка происходит в тиглях из графита либо платины для особо чистых сортов стекла. Микроскопические частицы материала тигля всегда присутствуют в стекле. Кроме того, загрязнения присутствуют и в исходных компонентах, сколь бы химически чистыми они ни были.
При наличии в прозрачной среде локальных микроскопических примесей или дефектов с большим коэффициентом поглощения излучения они быстро нагреваются, что и служит, в конечном счете, причиной разрушения прозрачной среды.
В качестве метода анализа наличия микропримесей и дефектов прозрачных материалов можно использовать регистрацию рэлеевского рассеяния света. Такие неразрушающие измерения являются методом прогнозирования лучестойкости.
Прозрачные для излучения диэлектрические пленки, нанесенные на поверхность образца (просветляющие и отражающие покрытия, интерференционные фильтры), также могут иметь как дефекты структуры, так и дефекты на границе пленки с подложкой (неоднородность адгезионного контакта), которые не сказываются на интегральных оптических свойствах, но проявляются при действии мощного лазерного излучения.
Разрушения, обусловленные примесями или дефектами, являются экспериментальным фактом, хорошо известным с момента создания мощных лазеров.