0.1. Тепловой механизм оптического пробоя реальных сред

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.

0.1.0. Основные экспериментальные закономерности и особенности оптического пробоя и разрушения оптически неоднородных сред

О влиянии микронеоднородностей на порог оптического пробоя прозрачных материалов и покрытий говорят различные экспериментальные данные.

В первую очередь, это статистический характер оптического пробоя поверхности и объема прозрачных материалов. При постоянных размерах области облучения и длительности импульса в некоторой области плотностей мощности импульса пробой происходит с некоторой вероятностью, причем при увеличении плотности мощности увеличивается (вплоть до 1) и вероятность пробоя. Диапазон плотностей мощности, где вероятность оптического пробоя больше 0, но меньше 1, зависит от размеров области облучения и длительности импульса. При увеличении того и другого порог пробоя с вероятностью близкой к 1 снижается (рис.0.2).

Аналогичные зависимости наблюдаются при изменении площади области облучения (см. рис. 0.3). При увеличении области облучения уменьшается порог разрушения с вероятностью близкой к 1.

Рис. 0.2. Зависимость пороговой мощности Р поверхностного разрушения кристалла рубина от длительности импульса лазерного излучения.

Рис. 0.3. Размерная зависимость порога поверхностного разрушения (оптического пробоя) стекла К-8.

Результаты прямой экспериментальной проверки статистической природы пробоя поверхности стекла под действием импульса лазера на стекле с неодимом длительностью 150 нс приведены на рис. 0.4. Для определения вероятности оптического пробоя поверхности исследуемого образца использовалась установка с фокусирующей системой, содержащей растровый и сферический объективы. Такая система позволяла создавать на поверхности образца воспроизводимое от опыта к опыту распределение интенсивности излучения, состоящее из большого числа фокальных пятен с диаметрами ~100мкм. Вероятность оптического пробоя (с первой попытки) определялась как отношение числа фокальных пятен, в которых имел место пробой, к полному числу фокальных пятен в распределении.

Если в каждом последующем опыте облучался новый участок поверхности образца, то интегральная картина оптических пробоев изменялась (рис. 0.4 а), а среднее число пробоев в серии идентичных опытов зависело от уровня мощности лазерного излучения.

Рис. 0.4. Интегральные фотографии оптического пробоя поверхности стекла Ф-2. а — при облучении различных участков поверхности, б — при облучении одного и того же участка поверхности.

Если один и тот же участок поверхности образца многократно подвергался облучению при одном и том же уровне мощности лазерного излучения, то интегральная картина оптических пробоев в среднем воспроизводилась от опыта к опыту (рис. 0.4, б).

Рис. 0.5. Зависимость вероятности оптического пробоя от величины , плотность мощности, при которой в области облучения радиуса вероятность пробоя ~1

Полученные экспериментальные данные (рис. 0.5) находят естественное объяснение в рамках статистической модели оптического пробоя, позволяющей получить связь вероятности пробоя W с плотностью мощности лазерного излучения.

Эксперименты по разрушению прозрачных материалов подтвердили, что стойкость материалов к мощному лазерному излучению в режиме многократного воздействия во многих случаях ниже, чем при однократном облучении.

Возникновение разрушений в прозрачном диэлектрике при его многократном облучении может быть обусловлено двумя существенно различающимися процессами:

1) возникновение разрушений на -й вспышке в серии, носящих случайный, флуктуационный характер;

2) накопление необратимых изменений в среде от вспышки к вспышке.

Однако, как показали эксперименты, исключение пространственно-временных флуктуации интенсивности лазерного излучения от импульса к импульсу не привело к исчезновению эффекта снижения порога разрушения диэлектриков при многократном облучении.

Очевидно, что процесс теплового разрушения определяется не только теплофизическими свойствами вещества и примеси, но и размерами посторонних включений, средним расстоянием между ними и коэффициентом поглощения. По этой причине весьма заметен так называемый размерный эффект: зависимость пороговой энергии излучения, при которой начинается необратимый процесс разрушения среды, от размера облучаемой зоны. Это связано с тем, что примеси совершенно случайным образом распределены по объему образца, при этом плотность включений обратно пропорциональна их размерам, а также тем, что процесс разрушения начинается на самой крупной неоднородности, поглощающей максимальное количество энергии. Вследствие размерного эффекта ясно, что пороговая мощность лазерного пучка, необходимая для разрушения, тем меньше, чем больше размер зоны облучения.

Таким образом, эксперименты показывают, что разрушение реальных диэлектриков связано с наличием в них очагов зарождения разрушения, причем даже в режимах без разрушения эти очаги могут менять свои свойства, что приводит, в конце концов, к пробою.

Основу современных взглядов на оптический пробой прозрачных материалов (полупроводников и диэлектриков) в широком диапазоне длин волн и длительностей лазерного воздействия составляют представления об определяющей роли тепловой неустойчивости среды вокруг содержащихся в ней поглощающих микронеоднородностей. Одним из центральных вопросов теории оптического пробоя является в связи с этим вопрос о температурной зависимости коэффициента поглощения среды , которая приводит к возникновению тепловой неустойчивости.