РОЗДІЛ 2
ПРОМЕНЕВА І ЕЛЕКТРИЧНА МІЦНІСТЬ КРИСТАЛІВ AIIBVI
ТА ЇХ МЕТАСТАБІЛЬНІ СТАНИ
В 1 розділі проаналізовано фізичні чинники технологічної спадковості та вказано
причини неефективності традиційних підходів до їх дослідження, а також до
визначення функціональної якості кристалів AIIBVI, що широко використовуються в
екстремальних умовах. Тому основною задачею 2 розділу є дослідження характеру
необоротних змін метастабільного стану (МС) кристалів AIIBVI, що обумовлені
інтенсивним навантаженням (лазерне і радіаційне випромінювання, сильні поля і
т.п.). Для вирішення цієї задачі важливо установити, чим обумовлений характер
зміни фізичних властивостей при певних граничних умовах та впливах, а також
неоднозначність впливу структурних неоднорідностей на окремі фізичні
властивості матеріалів. Під час аналізу літературних даних виявлено, що
найбільший розкид фізичних параметрів AIIBVI, які одержані різними методами,
характерний для діелектричної проникності (подвійного променезаломлення,
показника заломлення) та коефіцієнтів теплопровідності і термічного лінійного
розширення. Отже для визначення фізичних чинників, що обумовлюють значний
розкид променевої та електричної стійкості кристалів AIIBVI, необхідно вирішити
наступні задачі:
провести комплексне дослідження впливу інтенсивних променевих і польових
навантажень на фізичні властивості оптичних елементів, кристалічних заготовок,
зрізів та виготовлених з них серій зразків AIIBVI;
виявити джерела функціональної індивідуальності оптично однорідних елементів на
основі AIIBVI, яка проявляється при силових навантаженнях;
визначити фізичні чинники розкиду променевої і електричної міцності та
стійкості оптичних кристалів;
виявити роль механічного та електричного стану кристалічної матриці в
формуванні МС та звязок їх з ТС;
встановити параметри і характеристики, що функціонально характеризують МС
кристала;
встановити роль наведеної симетрії в формуванні метастабільного НДС кристала.
2.1. Оптичні елементи з селеніду цинку в екстремальних умовах
2.1.1. Променева міцність оптичних елементів з селеніду цинку
Поріг променевої міцності визначається як густина енергії (Дж/см2) чи
потужність (Вт/см2) лазерного випромінювання, при яких виникають незворотні
зміни характеристик матеріалу за час впливу випромінювання. На практиці в
якості порогу променевої міцності приймається те променеве навантаження, при
якому виникає руйнування матеріалу при одноразовому опроміненні [20]. Критерієм
руйнування матеріалу рахують появу пошкоджень (тріщин, проплавів, появу
кратерів випаровування матеріалу, виникнення плазменного спалаху, змін
амплітуди пучка, що пройшов крізь оптичний елемент, змін величини
світлорозсіювання основного чи зондуючого випромінювання) [35, 62, 109]. Типові
картини результату руйнування лазерних вікон приведені на рис. 2.1. Руйнування
вікон починається в області проходження випромінювання. Спочатку виникають
смуги ковзання та скиду, за якими слідує розтріскування кристала по площинах
типу (110) (рис. 2.1а). Проплав і кратери ОЕ видно на рис. 2.1, а-б. Зауважимо,
що променеве руйнування оптичних матеріалів не має чітко вираженого порогового
характеру, а поріг променевої міцності - це те променеве навантаження, при
якому руйнування оптичного елемента виникає з ймовірністю, більшою ніж 0,5
[67]. До руйнування оптичних елементів може привести: а) розвиток теплової
лавини в результаті нелінійного зростання коефіцієнту поглинання при
Рис. 2.1. Типові картини руйнування оптичних елементів з селеніду цинку.
лазерному нагріві матеріалу; б) протікання термохімічних реакцій на поверхні,
що супроводжується збільшенням коефіцієнту поглинання кристала [51, 73, 80, 95,
96, 244].
Дослідження променевої міцності оптичних елементів з селеніду цинку виявило: а)
існування різниці між порогом променевої стійкості об’єму та поверхні; б)
залежність порогу променевої стійкості від розміру пучка лазера (див. табл.
2.1); в) суттєвий вплив флуктуацій потужності лазерного випромінювання на поріг
променевої міцності [62]. При цьому встановлено, що променева міцність
однакових по поглинанню оптичних елементів, що виготовлені з одного
великогабаритного злитку (лазерні вікна діаметром 50, 70 і 100 мм), може
відрізнятись на порядок.
Таблиця 2.1
Матеріал
Тривалість імпульсу, нс
Діаметр пучка опромінення, мм
Поріг ПМ, МВт/мм2
ZnSe
60
0,11
8-11
ZnSe
250
0,23
0,57 -1,4
ZnSe
150
20,0
0,8-0,9
Навіть променева міцність різних областей одного оптичного елемента
відрізняється часом в декілька раз, що свідчить про відмінність метастабільного
стану, в різних частинах оптичних елементів. Отже в одному оптичному елементі
може реалізовуватись декілька МС. Поріг променевої міцності в неперервному
режимі також залежить від діаметру пучка (див. табл. 2.2). З іншого боку,
залежність променевої міцності від режимів променевого навантаження вказує на
наявність довготривалих релаксаційних процесів [227].
Таблиця 2.2
Пороги променевої міцності в неперервному режимі опромінення
Матеріал
Площа опромінення, см2
Поріг ПМ, МВт/см2
ZnSe
ZnSe
0,2
15-20
ZnSe
0,05
50 -70
На рис.2.2 приведено залежності температури периферійних областей
великоблочних кристалічних лазерних вікон діаметром 100мм від часу проходження
пучка СО2 - лазера через його центральну частину. Очевидно, швидкість нагріву
вікна в перші хвилини в першому наближенні пропорційна коефіцієнту поглинання b
[276]. Тому, використовуючи дані, що приведені на рис. 2.2, можна співставити
дані по коефіцієнту поглинання b і діелектричні параметр