Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
6.2.2. Разрушение в объеме кристалла
Дефекты структуры, находящиеся в объеме кристалла, могут влиять на оптическую прочность как:
а) центры поглощения оптической энергии, что может приводить к локальному перегреву и термическому взрыву в месте расположения данного дефекта;
б) центры, обеспечивающие повышение коэффициента поглощения самой кристаллической матрицы вблизи дефекта или объема в целом;
в) дефекты, влияющие на механическую прочность кристалла. Прочность может снижаться, если дефекты действуют как концентраторы напряжений и места зарождения трещин, или повышаться, если дефекты являются центрами торможения дислокаций.
Наиболее отчетливо дефекты проявляют себя как центры повышенного оптического поглощения и концентраторы напряжений. В этом качестве прежде всего выступают поглощающие включения и поры, иногда содержащие жидкую фазу, чаще всего воду. В этом же качестве могут выступать и микровключения, сегрегации примесей, в том числе неразрешимые в оптическом микроскопе до лазерного воз-
131
Рис. 6.3. Образование пор и микротрещии под действием излучения СОг-лазера иа микровключеииях в номинально чистых кристаллах NaCl
Рис. 6.4. Образование пор и микротрещин иа микровключениях в луче СОг-лазера в кристаллах NaCl, содержащих 0,03 % (масс.) примеси свинца
Рис. 6.5. Развитие трещин в районе поры в кристалле NaCl при дальнейшем воздействии лазерного излучения
действия. В результате локального термического взрыва в местах расположения таких центров образуются поры и трещины, уже легко различимые в оптическом микроскопе (рис. 6.3 и 6.4). При дальнейшем воздействии лазерного излучения (при увеличении числа импульсов лазера) эти центры являются местами, от которых начинают развиваться макротрещины (рис. 6.5).
Другим механизмом несобственного лазерного разрушения является изменение характеристик самой матрицы в результате нагрева вблизи включения, так называемая тепловая неустойчивость. Нелинейность поглощения р среды может быть вызвана зависимостью поглощения от температуры как р « « ехр(-?Д7), где Ее -ширина запрещенной зоны [7, 8]. При таком механизме опасными могут быть даже примесные выделения размером до сотых долей микрона [9]. Этот механизм наиболее вероятен в кристаллах с относительно узкой запрещенной зоной, в частности, в соединениях А3В5. При тепловой неустойчивости волна поглощения распространя-
132
Рис. 6.6. Размерная зависимость порога разрушения различных кристаллов (Р - пороговая плотность мощности лазерного луча, D -апертура луча)
ется от начальной точки назад Pt Вт/см 2
по лучу за счет нагрева и ионизации плазмой прилегающих слоев [10, 11], а также экранировки той же плазмой слоев, находящихся по ходу луча за включением.
Альтернативой тепловой неустойчивости может бьггь механизм ультрафиолетовой предаю -низации [12]. Необходимое для ионизации жесткое УФ-излуче-ние может возникать при свечении плазмы, возникающей при взрыве микронеоднородности, либо при триболюминесценции, сопровождающей трещинообра-зование, однако пока нет убедительных доказательств того, что
эти механизмы могут играть определяющую роль при оптическом разрушении.
Основным свидетельством в пользу того, что микронеоднородности играют решающую роль в процессе оптического разрушения кристалла, является «размерный эффект». Этот эффект состоит в том, что оптическая прочность увеличивается с уменьшением апертуры лазерного луча (рис. 6.6), т.е. с уменьшением вероятности попадания лазерного луча на «слабое» (дефектное) место в объеме кристалла. Такая зависимость означает, что разрушение может начаться не в любой точке кристалла, но в кристалле имеются статистически распределенные «слабые» места, расстояния между которыми соизмеримы с апертурой лазерного луча и могут превышать ее. При облучении кристалла сфокусированным пучком света с длиной волны 10,6 мкм (СОг-лазер) при длительности импульса т < 40 мкс разрушение материала происходит в результате термического взрыва на поглощающих микронеоднородносгях с образованием прожогов в виде пор. Такое утверждение можно сделать на основе многочисленных экспериментов, проведенных на ЩГК, BaF2 и ZnSe.
При т > 0,5 с наблюдается накопление термоиндуцированных напряжений, и разрушение может наступать в результате развития трещин под действием этих напряжений. С ростом длительности импульса роль накопления термических напряжений возрастает и становится решающей для разрушения при непрерывном облучении. Смена механизма разрушения при возрастании длительности импульса происходит при т = 10 2_10 3 с и проявляется в изменении на-
133
Рис. 6.7. Пороговые значения мощности Рп (1) н плотности энергии W„ (2) излучения СОг-лазера прн апертуре луча 6 см, приводящие к разрушению ЩГК за время х
клона зависимости lnlVn и 1пР„ от 1пх (рис. 6.7). Рост пороговой энергии разрушения с ростом длительности импульса на рис. 6.7 объясняется только ростом длительности импульса, а слабая зависимость Wn (х от длительности импульса при малых х определяется уменьшением <7„ с ростом х в области х < 10 2.
6.3. ОПТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ В СФОКУСИРОВАННЫХ И ШИРОКО АПЕРТУРНЫХ ПУЧКАХ
