Введение к работе
Актуальность темы
Исследования лазерного разрушения прозрачных диэлектриков ведутся практически с момента создания мощных твердотельных лазеров. Интерес к этой проблеме продиктован как необходимостью выяснения принципиальных вопросов физики взаимодействия интенсивного лазерного излучения с веществом, так и практической потребностью в оптических материалах, пригодных для создания высоконадежных мощных лазерных систем.
Различают два вида пробоя - собственный и несобственный. Под собственным пробоем понимают пробой, инициируемый в самой матрице и не связанный с наличием в материале дефектов. К механизмам собственного пробоя относят лавинную и многофотонную ионизацию и пороговое сужение запрещенной зоны диэлектрика. Собственные механизмы пробоя, определяющие предельные значения лучевой прочности оптических материалов (1011-10L Вт/см2 ), реализуются при острой фокусировке излучения. Последнее связано, в частности, с необходимостью исключения влияния на развитие пробоя в облучаемой области различного рода дефектов, прежде всего поглощающих неоднородностей (ПН). Действительно, надежно установлено, что в подавляющем большинстве случаев лучевая прочность реальных сред ограничена развитием несобственного пробоя, инициируемого нагревом (ПН). Нагрев их ведет к разрушению материала, обусловленному появлением локальных проплавов, разрастанию размеров поглощающей области вокруг ПН за счет включения различных механизмов нелинейного поглощения (обусловленных тепловой или фотоионизацией матрицы излучением нагретой ПН, протеканием термохимических и фотохимических реакций), возникновению термических напряжений. Наличие в материале ПН ведет не только к снижению порога пробоя на несколько порядков по сравнению с порогом собственного пробоя, но и к зависимости порога от размера облучаемой области, не связанной с самофокусировкой, эффектам накопления и допороговым явлениям.
К моменту начала выполнения настоящего цикла работ (1975 г.) систематических исследований пробоя щелочно-галоидных кристаллов (ЩГК), рассматриваемых при решении многих проблем как модельные и широко используемых в качестве оптических материалов, под действием импульсов CCh лазера не проводилось. Вместе с тем, априори ясно, что значения лучевой прочности этих материалов с шириной запрещенной зоны ~ 8 эВ и других широкозонных кристаллов не могут определяться многофотоникой или развитием электронной лавины и должны ограничиваться (исключая случаи острой фокусировки) развитием оптического пробоя тепловой природы. Низкие значения коэффициентов поглощения ЩГК в области 10.6 мкм (< 10 см-1 ) позволяли считать, что пробой должен быть связан с нагревом ПН. В пользу несобственного пробоя ЩГК свидетельствовали результаты первых исследований их пробоя импульсами СО: лазера. Однако, прямой перенос моделей, используемых для описания оптического пробоя таких хорошо изученных сред, как стекла, под действием импульсов излучения с Av = 1.78 и 1.17 эВ на пробой
ЩГК (отличающихся от них физико-химическими, теплофизическими, механическими и оптическими характеристиками) под действием импульсов излучения с hv = 0.117 эВ не представлялся достаточно обоснованным. Отсутствовали достоверные сведения о природе и составе ПН, определяющих значения порогов, реализующихся в экспериментах при больших облучаемых пятнах. Не было ясности и относительно возможности прогнозирования лучевой прочности этих сред на основе данных об их оптических характеристиках.
Практически важно, что данных о значении лучевой прочности материала недостаточно для оценки работоспособности изготовленных из них оптических элементов. Дело в том, что лучевая прочность последних ограничена более низкими порогами разрушения их поверхностей по сравнению с порогами пробоя в объеме используемых материалов. Это связывают с существенно более высокой концентрацией разнообразных дефектов, содержащихся в поверхностном слое и снижающих величину порога разрушения поверхности по сравнению с их концентрацией в объеме материала. Установлено также, что существенную роль в разрушении элементов из ЩГК играет приповерхностный низкопороговый оптический пробой (НОП), порог которого, как известно, существенно ниже, чем порог пробоя газа вдали от поверхности. В течение длительного времени в литературе дискутировался вопрос о том, возникает ли плазма у поверхности прозрачного диэлектрика в результате разрушения поверхности или разрушение последней является следствием воздействия на нее плазмы пробоя. Не был ясен и сам механизм развития НОП - связан ли он с испарением имеющегося на поверхности поглощающего адсорбата и развитием пробоя в его парах или, как и в случае пробоя в объеме, с нагревом ПН поверхностного слоя.
В связи с этим определение параметров ПН в ЩГК и систематические исследования оптического пробоя в их объеме и на поверхности оптических элементов (включая допороговые явления) в режимах, близких к реальным условиям их эксплуатации в лазерных системах, представляло большой научный интерес и имело практическое значение для поиска путей повышения их лучевой прочности.
Цель работы
Настоящая работа посвящена систематическому исследованию оптического пробоя в объеме промышленных NaCl, КС1, КВг и разрушения поверхности изготовленных из них оптических элементов в условиях развития НОП под действием импульсов излучения СОг лазера. Часть экспериментов проведена на кристаллах NaCl с низким содержанием примесей и специально легированных NaCl и K.CI, а также промышленных образцах LiF, BaF2, CaF2 и Ge. Решение этой задачи включало:
разработку простых методов определения порогов пробоя, его размерной зависимости и концентрации ПН;
исследование процессов, сопровождающих развитие пробоя и формирование микроразрушений;
получение данных о размере, концентрации и составе ПН,- инициирующих развитие пробоя в объеме и на поверхности ЩГК;
исследование корреляции порогов пробоя в объеме с оптическими характеристиками промышленных, чистых, легированных и окрашенных у-квантами ЩГК;
исследование процессов, протекающих на поверхности кристалла в широком интервале значений интенсивности излучения - от допороговых до приводящих к формированию макроразрушений в условиях развития НОП.
Научная новизна работы определяется тем, что в ходе ее выполнения большинство результатов получено впервые. К числу полученных оригинальных результатов относятся:
-
Простой метод измерения порога оптического пробоя, инициируемого ПН. позволяющий оценить их концентрацию и определяемую ими размерную зависимость порога пробоя с заданным значением вероятности его развития.
-
Определение элементного состава, размеров и концентраций ПН, инициирующих развитие пробоя в объеме ЩГК.
-
Результаты исследования процесса развития пробоя в объеме ЩГК, свидетельствующие о том, что его начальная стадия включает нагрев ПН до температуры, не превосходящей -1000 ос и растрескивание кристалла под действием термических напряжений. Растрескивание сопровождается ростом рассеяния и вспышкой свечения, сходного по природе с триболюминесценцией. Показано, что основной рост рассеяния, обусловленный формированием микроразрушений, соответствует во времени наиболее высоким значениям скорости роста размеров микроразрушений и интенсивности пичков вспышки свечения.
-
Экспериментальное обнаружение в спектрах триболюминесценции ЩГК при их механическом разрушении линий щелочных металлов, подтвеж-дающее определяющую роль ионов этих металлов в развитии разряда в трещинах.
-
Результаты сопоставления спектров триболюминесценции ЩГК при лазерном разрушении со спектрами триболюминесценции при их разрушении традиционными способами, свидетельствующие о том, что их основное отличие состоит в возбуждении в первом случае линий элементов, входящих в состав ПН, а во втором - линий или полос газов окружающей атмосферы.
6. Результаты сопоставления порогов пробоя и оптических характери
стик ЩГК, свидетельствующие об отсутствии их корреляции, что затрудняет
прогнозирование порогов пробоя, инициируемого ПН.
-
Результаты сопоставления порогов образования микроразрушений на поверхности и в обеме прозрачного диэлектрика, свидетельствующие о том, что первый нз них может быть как выше, так и ниже второго.
-
Метод определения локализации инициирующих развитие пробоя ПН, в поверхностном слое (непосредственно под поверхностью или над нею) оптического элемента, основанный на сопоставлении экспериментально исследо-
ванной зависимости порога пробоя от угла падения ^-поляризованного излучения с расчетными зависимостями порогов для этих двух типов локализации ПН.
-
Результаты экспериментального определения локализации ПН в поверхностном слое оптических элементов, изготовленных из ЩГК, свидель-ствующие о том, что в преобладающем числе случаев приповерхностный оптический пробой воздуха инициируется ПН, локализованными непосредственно под поверхностью и обусловленными технологиями выращивания кристалла и (или) обработки поверхности.
-
Результаты исследования допороговых вспышек свечения и эмиссии заряженных частиц с поверхности ЩГК, дающие основания считать, что они обусловлены соответственно оптическим излучением плазмы разряда, развивающегося в микротрещинах поверхностного слоя,и эмиссией заряженных частиц из них.
П. Результаты обобщения литературных и экспериментальных данных, дающие основания считать, что снижение порога пробоя воздуха у поверхности прозрачного диэлектрика, обусловлено появлением в пределах облучаемого пятна затравочных электронов в результате фрактоэмиссии (механоэмиссии) из трещин, образующихся в поверхностном слое вблизи нагреваемых ПН.
12. Результаты эксперимента и расчета, свидетельствующие о том, что
воздействие на переднюю поверхность пластины прозрачного диэлектрика из
лучения с интенсивностью, меньшей порога образования на ней разрушения,
при углах падения, отличных от нуля, может сопровождаться образованием
повреждения за пределами облучаемого пятна в области падения на нее пучка,
отраженного от тыльной поверхности. Это связано с воздействием на ПН, ло
кализованные непосредственно под поверхностью, результирующего поля ин
терференции двух находящихся в фазе волн - падающей со стороны тыльной
поверхности и отраженной от передней.
13. Результаты исследования развития низкопорогового оптического
пробоя у поверхности оптических элементов из ЩГК, свидетельствующие о
том, что формирование макроскопических повреждений поверхности обуслов
лено растрескиванием поверхностного слоя в результате его нагрева вакуум
ным ультрафиолетовым излучением плазмы НОП.
Практическая значимость результатов работы определяется комплексом результатов, полученных при иследовании как особенностей развития оптического пробоя в объеме и на поверхности ЩГК, так и оптических характеристик исследуемых сред, включая характеристики содержащихся в них ПН. Выполнение этих исследований потребовало разработки ряда экспериментальных методов. Последние выходят за рамки конкретных решавшихся задач и представляют самостоятельный интерес. В процессе работы:
1. Показано, что использование метода измерения пороговой интенсивности излучения, применяемого в исследованиях собственного пробоя и осно-
ванного на фиксации интенсивности излучения, соответствующей отсечке части импульса в результате поглощения плазмой, в случаях инициирования пробоя ПН приводит к получению завышенных значений порога.
2. Разработан простой метод измерения порога оптического пробоя,
инициируемого ПН в объеме прозрачною дизлекірика. позволяющий оценить концентрацию ПН и определяемую ими размерную зависимость порога с заданным значением вероятности его развития.
3. Показано, чго преобладающая часть центров, рассеивающих в види
мой области спектра и обнаруживаемых средствами оптической микроскопии
в обьеме ЩГК, не являются ПН, определяющими величину порога ошическо-
го пробоя импульсами СО 2 лазера. Пороги пробоя не коррелируют с результа
тами измерения оптических характеристик ЩГК (промышленных, "чистых",
легированных и окрашенных у-квантами). что затрудняет использование ре
зультатов их контроля для прогнозирования порогов.
-
Разработан метод определения элементного состава наиболее низкопороговых' ПН на основе результатов анализа спектров свечения, сопровождающего образование микроразрушений в объеме прозрачного диэлектрика.
-
Показано, что в состав ПН. определяющих пороги пробоя промышленных ЩГК и BaF; импульсами излучения с к — 10.6 мкм. входят P. S, Sc, Si, образующие кислородсодержащие соединения, сильно поглощающие в средней ПК области спектра, и предложены пути повышения порогов.
-
Разработан метод определения локализации в поверхностном слое (под поверхностью или на ней) прозрачного диэлектрика ПН, инициирующих развитие приповерхностного оптического пробоя. Показано, что в преобладающем числе случаев приповерхностный оптический пробои воздуха инициируется ПН, локализованными непосредственно под поверхностью и обусловленными технологиями выращивания кристалла и (или) обработки поверхности.
-
Показано, что снижение порога пробоя воздуха у поверхности прозрачного диэлектрика, может быть связано с появлением в пределах облучаемого пятна затравочных электронов, необходимых для развития пробоя, в результате эмиссии их из трещин, образующихся в поверхностном слое вблизи нагреваемых ПН.
-
Предложен способ прогнозирования лучевой прочности поверхности оптических элементов, основанный на корреляции порогов пробоя и уровней
ИНТСПСИВПОСТИ ДОПОрої ОВ01 о свечения.
9. Показано, что существование размерной зависимости порога пробоя
может отражаться на результатах его измерения при углах падения излучения
на поверхность, существенно отличных от нуля, и других его измерениях в условиях воздействия заведомо сверхпороговых импульсов излучения.
Основные положения, выносимые на защиту:
Основные результаты работы сформулированы в защищаемых положс ниях:
-
Результаты исследования зависимости числа образующихся микроразрушений от интенсивности излучения в условиях облучения объема прозрачного диэлектрика, содержащего ПН одного типа, пучком с гауссовым распределением энергии по его сечению позволяют определить не зависящее от размера облучаемого пятна значение порога образования микроразрушений, концентрацию ПН и размерную зависимость порога оптического пробоя с заданной вероятностью его развития.
-
Начальная стадия оптического пробоя ЩГК под действием импульсов СОг лазера представляет собой нагрев ПН до температуры, не превосходящей ~1000 С, и растрескивание кристалла вблизи ПН под действием термических напряжений, сопровождаемое ростом рассеяния и вспышкой свечения, сходного по природе с триболюминесценцией. Основной рост рассеяния и наиболее высокие значения скорости формирования микроразрушений соответствуют интервалу времени, в пределах которого наблюдаются наиболее интенсивные пички вспышки свечения.
-
Преобладающая часть обнаруживаемых в объеме ЩГК центров, сильно рассеивающих в видимой области спектра, не является ПН, лимитирующими величину порога пробоя на длине волны 10,6 мкм. В состав ПН, инициирующих развитие оптического пробоя ЩГК под действием импульсов СО2 лазера, входят Р, S, Se, Si (наиболее часто), способные образовывать сильно поглощающие в средей И К области спектра кислородсодержащие анионы. Преимущественные размеры ПН составляют 1- 3 мкм, а их концентрация в большинстве кристаллов превышает 104 см-3.
-
Значения порогов оптического пробоя в объеме ЩГК, определяемые степенью неоднородности распределения поглощающих примесей, не коррелируют с оптическими характеристиками, зависящими от общего содержания примесей, что затрудняет прогнозирование порогов.
-
Сведения о локализации в поверхностном слое (под поверхностью или на ней) наиболее опасных ПН могут быть получены путем сопоставления экспериментально исследованной зависимости порога пробя от угла падения на поверхность /^-поляризованного излучения с расчетными зависимостями для порогов пробоя, обусловленных ПН, локализованными непосредственно под поверхностью и на ней. Данные о локализации ПН позволяют прогнозировать угловые зависимости порогов пробоя для передней и задней поверхностей элементов лазерной техники. В преобладающем числе случаев приповерхностный пробой инициируется ПН, локализованными непосредственно под поверхностью.
-
Снижение порога оптического пробоя воздуха под действием импульсов СО2 лазера у поверхности ЩГК может быть связано с появлением затравочных электронов в пределах облучаемого пятна в результате фрактоэмиссии из трещин, образующихся в поверхностном слое вблизи ПН, нагреваемых до температур, меньших 1000 С.
7. Отличительная особенность свечения, сопровождающего начальную
стадию оптического пробоя в объеме ЩГК, состоит в том, что при лазерном
инициировании процесса трещинообразования возбуждаются линии элементов ПН, а в условиях традиционных способов возбуждения триболюминесценции при мехнических воздействиях - линии или полосы газов окружающей атмосферы. Последние обнаруживаются также в спектрах допорогового свечения
поверхности ЩГК. Линии же щелочных металлов кристаллической решетки наблюдаются во всех случаях.
8. Формирование макроскопических повреждений поверхности прозрачного диэлектрика в условиях развития приповерхностного низкопорогового оптического пробоя обусловлено нагревом поверхностного слоя сильно поглощаемым вакуумным ультрафиолетовым излучением плазмы пробоя и растрескиванием поверхности под действием термических напряжений.
Результаты, полученные в ходе выполнения настоящей работы, внесли
существенный вклад в формирование и развитие силовой оптики - раздела квантовой электроники и физической оптики, связанного с созданием и практическими применениями мощнйых лазеров.
Личный вклад автора.
Все вошедшие в диссертацию оригинальные результаты получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии.
Апробация работы.
Основные результаты работы доложены на: IV и V Всесоюзных совещаниях, VI, VII, VIII Вссоюзных конференциях по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград - 1978. 1981, 1988, 1990, Паланга - 1984), IX Международной конференции по нерезонансному взаимодействию лазерного излучения с веществом (Санкт- Петербург, 1996), II Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград -1979), IV Всесоюзном симпозиуме "Экзоэлектронная эмиссия и ее применение" (Тбилиси - 1985), Всесоюзном симпозиуме "Эмиссия с поверхности полупроводников, в том числе экзоэмиссия" (Львов - 1989), Всесоюзном семинаре "Предельная прочность прозрачных оптических материалов к лазерному излучению (Вильнюс - 1989).
Публикации.
Основные результаты диссертации изложены в 64 научных публикациях в отечественных изданиях, в том числе в 39 статьях и 6 Авторских свидетельствах. Список статей и Авторских свидетельств приведен в конце диссертации.
Результаты работ, представленные в докладе, широко известны научной общественности.
