Формирование оптических и механических свойств кристаллических и аморфно-нанокристаллических материалов при селективной лазерной обработке нано- и микрообластей

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение..............................................................8
Глава 1. Взаимодействие лазерного излучения с неоднородными микро- и нанообластями формирующими оптические и
механические свойства твердых материалов.............................21
1.1. Физические механизмы инициирования оптического
пробоя в твердых прозрачных материалах...........................23
1.2. Физические процессы, сопровождающие оптический пробой. Вспышка свечения. Деформирование и разрушение в
микро- и макрообластях...........................................26
1.2.1. Современные представления о влиянии временных флуктуаций лазерного излучения на закономерности
разрушения.......................................................26
1.2.2. Теоретические модели и экспериментальные закономерности разрушения твердых прозрачных
диэлектриков в результате оптического пробоя.....................28
1.2.3. Теоретические представления о механизмах разрушения прозрачных материалов, обладающих
высокой оптической прочностью....................................36
1.3. Деформирование и разрушение в прозрачном материале за счет механических напряжений, вызванных воздействием лазерного излучения..............................................44
1.4. Физические закономерности реализации оптического
пробоя на поглощающем включении..................................51
1.5. Кинетические характеристики развития оптического пробоя. Пластическая деформация и разрушение,
сопровождающие процесс оптического пробоя........................61
1.6. Физическая природа вспышки свечения, сопровождающей оптический пробой поглощающего включения....................69
1.7. Плавление в объеме прозрачного материала под действием излучения лазера. Залечивание лазерных повреждений..........75
2
1.8. Влияние микро - и макродефектов на оптическую и механическую прочность твердых прозрачных материалов.........80
1.9. Консолидированные нанокристаллические материалы..............89
1.9.1. Структурные особенности и механические свойства консолидированных нанокристаллических материалов.............90
1.9.2. Распад аморфной фазы аморфного металлического сплава с образованием стабильной
аморфно - нанокристаллической структуры...........................96
1.10. Структурные особенности аморфных
металлических сплавов.............................................98
1.11. Эволюция структуры и свойств твердых непрозрачных материалов в условиях обработки лазерным излучением.........101
1.12. Цель и задачи исследования.................................104
Глава 2. Исследование разрушения и пластичности в оптически прозрачных кристаллах с макроскопической трещиной под
действием излучения импульсного лазера...............................107
2.1. Влияние трещин на оптическую прочность твердых прозрачных материалов.......................................107
2.2. Методика эксперимента.......................................109
2.3. Разрушение кристаллов без исходной трещины и с исходной макроскопической трещиной вследствие
оптического пробоя на поглощающих включениях.....................113
2.4. Повреждаемость кристаллов с макротрещиной в
условиях приповерхностного оптического пробоя....................118
2.5. Изменение дислокационной структуры в результате облучения щелочногалоидных кристаллов с исходной макроскопической трещиной. Залечивание в вершине лазерноиндуцированной трещины....................................121
2.6. Лазерное стимулирование процессов залечивания и
релаксации напряжений в вершине макроскопической трещины.........124
3
2.7. Взаимодействие лазерноиндуцированной трещины и
исходной макроскопической в оптически прозрачных кристаллах ...129
2.8. Выводы....................................................133
Глава 3. Взаимодействие исходной макроскопической трещины с лазерноиндуцированной трещиной. Временная зависимость оптической прочности твердого прозрачного диэлектрика содержащего макроскопическую трещину...............................135
3.1. Методика эксперимента.....................................137
3.2. Морфология разрушения монокристаллов с
исходной макроскопической трещиной.............................138
3.3. Взаимодействие исходной макроскопической и
механически инициированной трещины.............................140
3.4. Взаимодействие исходной макроскопической
и лазерноиндуцированной трещин.................................145
3.5. Морфологические особенности разрушения при выходе растущей трещины на боковую грань кристалла................147
3.6. Влияние времени существования трещин на оптическую прочность твердых прозрачных материалов....................152
3.7. Интерференционные явления на макроскопической трещине и на выходной грани твердых прозрачных
материалов и их влияние на оптическую прочность................158
3.8. Особенности инициирования оптического пробоя на плоскости трещины и выходной поверхности самосфокусированным излучением. Оптический пробой и интерференция света в условиях нелинейного отклика оптической среды на внешнее воздействие........................162
3.9. Механическая прочность твердых прозрачных диэлектриков при оптическом пробое на
поверхности трещины............................................168
3.10. Выводы...................................................171
4
Глава 4. Деформирование и разрушение кальцита в условиях оптического пробоя. Управление оптической прочностью щелочногалоидных кристаллов и кальцита лазерной
обработкой оптически неоднородных областей..........................173
4.1. Методика эксперимента.....................................175
4.2. Структура поврежденного слоя кальцита в условиях приповерхностного оптического
пробоя при температуре Т«293 К.................................176
4.3. Морфология поврежденного слоя при оптическом
пробое в объеме образца........................................182
4.4. Элементы пластичности и разрушения, реализующиеся в кристалле кальцита в условиях оптического пробоя объема
образца мощным лазерным импульсом..............................185
4.5. Повреждение выходной грани монокристаллов кальцита самосфокусированным и самоканалированным излучением.......187
4.6. Влияние начальной температуры облучаемого образца на повреждения поверхности кальцита
при лазерном облучении.........................................192
4.7. Механизм формирования поврежденного слоя кальцита
при оптическом пробое в условиях нагрева.......................195
4.8. Повышение оптической прочности кальцита и щелочногалоидных кристаллов в условиях лазерного
разрушения опасных поглощающих включений.......................198
4.8. Выводы....................................................203
Глава 5. Механические свойства и структурные особенности термически обработанного аморфного металлического сплава............205
5.1. Методика эксперимента.....................................207
5.2. Структурные превращения в исходно аморфном металлическом сплаве под действием термической обработки..209
5.3. Изменение микротвердости термически обработанного
аморфного металлического сплава, выявляемое при
индентировании на подложках....................................212
5
5.4. Определение пластической характеристики тонких лент аморфно - нанокристаллического металлического сплава традиционным U - методом........................................217
5.5. Статистические закономерности деформирования и разрушения термически обработанного аморфного металлического сплава в условиях локального нагружения на подложках с различными механическими характеристиками...........220
5.6. Закономерности формирования трещин при микроиндентировании аморфно - нанокристаллического материала полученного высокотемпературным отжигом из аморфного металлического сплава............................... 230
5.7. Деформирование и разрушение исходного и термически обработанного аморфного металлического сплава при индентировании на подложках.....................................233
5.7.1. Деформирование и разрушение в условиях индентирования пирамидкой Виккерса..............................233
5.7.2. Деформирование и разрушение аморфного металлического сплава в условиях локального нагружения пирамидкой
Берковича и стальными шариками различного размера...............240
5.8. Статистические закономерности формирования кольцевых трещин и отколотых участков при локальном нагружении............244
5.9. Определение пластических свойств тонких аморфно -нанокристаллических металлических сплавов методом
локального нагружения...........................................246
5.10. Исследование процессов массопереноса и обратимых деформаций композитов «эластичное основание -металлическое покрытие» в условиях локального
нагружения экспериментальным моделированием.....................253
5.11. Выводы....................................................259
6
Глава 6. Управление механическими свойствами аморфных и
аморфно - нанокристаллических сплавов импульсным
лазерным излучением.................................................261
6.1. Методика эксперимента......................................263
6.2. Эволюция структуры и свойств аморфного металлического сплава подвергнутого лазерной обработке при комнатной температуре. Статистические закономерности разрушения.......................................265
6.3. Особенности импульсной лазерной обработки аморфного металлического сплава с разной начальной температурой.......270
6.4. Взаимодействие трещины с термически обработанными областями. Эволюция механических свойств аморфного металлического сплава при кратковременном
электрическом отжиге............................................276
6.5. Влияние лазерного воздействия на расположение
дефектов выявляемых в химически активной среде..................283
6.6. Закономерности оптимизации механических свойств аморфно - нанокристаллических металлических сплавов лазерными импульсами наиосекундной длительности.................286
6.7. Выводы.....................................................294
Общие выводы по работе..............................................296
Литература..........................................................302
Приложения..........................................................341
7
ВВЕДЕНИЕ
Развитие современной техники сопровождается возникновением новых требований к свойствам материалов, используемых при ее конструировании. Современная техника нуждается в обеспечении материалами, обладающими заданными оптическими, механическими и другими свойствами, и способными сохранять их стабильный уровень в течение длительного времени.
Таким образом, одной из важных задач современного физического материаловедения является выявление закономерностей формирования оптических и механических свойств твердых материалов с целью повышения их долговечности, а также оптической и механической прочности.
Известно много твердых материалов в которых существуют нано- и микромасштабные области, определяющие их оптические и механические свойства. К таким материалам относятся не только наноструктурные материалы, но и многие «традиционные» материалы, например, элементы лазерной оптики, оптическая прочность и механическая целостность которых лимитируется неоднородными областями с размерами 10*!° - 10'6 м [1-5].
Оптически неоднородными областями могут быть трещины, поры, поглощающие включения. Неоднородные области характеризуются повышенной плотностью точечных и линейных дефектов структуры, повышенным содержанием поглощающих неоднородностей [6-10].
Дефектные области размером 10*10 - 10*6м могут быть причиной развития оптического пробоя и механического разрушения макроразмерного оптического элемента. В этом случае в материалах лазерной оптики интегральные эксплуатационные характеристики определяются эффектами, получающими развитие в неоднородных областях, имеющих нано- и микроразмеры.
Существуют методы воздействия, направленные на изменение состояния таких дефектов с целью повышения эксплуатационных характеристик материала. Однако влиять на свойства оптически прозрачного материала, оптимизировать его характеристики нужно не столько путем воздействия на весь материал в целом, сколько воздействуя на эти локальные области. Существенным преимуществом таких методов обработки является возможность
8
воздействовать на дефектные области, не затрагивая окружающий материал и не изменяя его свойства [11].
Таким образом, из всего многообразия методов обработки особый интерес представляют способы воздействия, обеспечивающие возможность эффективного избирательного управления дефектами. К настоящему времени показана принципиальная возможность использования лазерного излучения для управления состоянием нано- и микроразмерных дефектов, лимитирующих предельную оптическую и механическую прочность материала.
Существенной особенностью лазерного управления состоянием дефектных областей в прозрачном материале является возможность подбора таких параметров лазерного излучения, когда излучение воздействует только на дефектные области [12-14]. При этом (в отсутствие нелинейных оптических явлений) лазерное излучение, распространяясь в бездефектных областях прозрачного материала, не меняет его свойства.
Воздействие лазерного излучения на прозрачные материалы обеспечивает возможность прямого управления состоянием дефектных областей. Лазерная обработка дефектных областей в непрозрачных материалах возможна за счет инициирования ряда процессов, зависящих от интенсивности и длительности воздействия лазерного излучения. Взаимодействие лазерного излучения с непрозрачным материалом, в зависимости от его интенсивности и длительности воздействия, сопровождается поглощением светового потока и передачей его энергии твердому телу, нагревом материала, расплавлением материала, испарением, формированием плазмы и ударной волны [15-17]. В таких условиях добиться избирательной обработки дефектных областей труднее. Для непрозрачных материалов селективная лазерная обработка достаточно эффективна в том случае, если размер образцов хотя бы в одном из направлений достаточно мал (наночастицы, тонкие пленки аморфных металлических сплавов (АМС) и аморфно-нанокристаллических металлических сплавов (АНМС) и т.д.). Для таких материалов возможно подобрать параметры лазерного излучения, позволяющего оптимизировать механические свойства
9
материала преимущественным избирательным воздействием лазерного излучения на дефектные области без существенного изменения структурного состояния и свойств окружающего их материала.
Таким образом, для большого числа материалов существенным в формировании их эксплуатационных свойств являются дефектные области с нано- и микро- размерами. В основе селекгивной лазерной обработки дефектных нанообластей в различных материалах лежат схожие физические механизмы и возможность инициирования процессов формирования оптических и механических свойств подбором параметров лазерной обработки.
Актуальность исследований в этом направлении обусловлена расширением практического использования наноматериатов и существующей потребностью в практических технологиях обработки нанообъектов, в том числе неоднородных областей в конденсированных материалах [18-20].
Проблематика рассматриваемых в данной работе вопросов потребовала использования широкого спектра материалов для исследований. В первую очередь, это щелочногалоидные кристаллы и кальцит (исландский шпат). Выбор данных материалов обусловлен рядом причин: 1) щелочногалоидные кристаллы и кальцит широко применяются в материалах лазерной оптики; 2) щелочногалоидные кристаллы и кальцит являются удобными материалами для проведения экспериментальных исследований, к настоящему времени существует огромное количество работ в которых разработаны экспериментальные методики выявления физических свойств и дефектной структуры таких материалов; 3) деформация в твердых кристаллических материалах может реализоваться за счет одного из двух основных механизмов деформирования: двойникования и трансляционного скольжения. Основным механизмом пластического деформирования щелочногалоидных кристаллов является трансляционное скольжение, а кальцит при нормальных условиях деформируется двойникованием. Таким образом, для определения общих закономерностей формирования оптических и механических свойств твердых прозрачных кристаллических материалов были проведены экспериментальные исследования на материалах, деформирующихся как трансляционным скольжением (щелочногалоидные кристаллы), так и двойникованием (кальцит).
ю
Важным условием обеспечения полноты и общности исследований, посвященных определению закономерностей формирования свойств твердых материалов избирательной обработкой дефектных областей микро- и наномасштаба является расширение используемых материалов за счет непрозрачных для лазерного излучения сплавов. По сравнению с прозрачными материалами обработка непрозрачных металлических сплавов ограничена. Только в достаточно тонких поверхностных слоях материала возможно подобрать режимы лазерной обработки селективно воздействующие на неоднородные области микро- и наномасштаба. Таким образом, с учетом возможностей двухстороннего облучения наибольшую эффективность селективной лазерной обработки можно ожидать для случая тонких металлических пленок. Кроме того, важным требованием к таким пленкам является возможность эффективно управлять структурным состоянием материала, создавать неоднородные области микро- и наномасштаба с целью подбора структуры, чувствительной к селективной лазерной обработке. Указанным требованиям хорошо удовлетворяют аморфные металлические сплавы, полученные методом спиннингования. Такие материалы можно получать достаточно тонкими (толщиной в десятки микрометров), их структурным состоянием можно эффективно управлять за счет термообработки, существуют многокомпонентные аморфные металлические сплавы контролируемым отжигом которых возможно получение достаточно стабильных аморфно - нанокристаллических структур [21-24]. Кроме того, в настоящее время такие аморфные и аморфно -нанокристаллические металлические сплавы находят все более широкое практическое применение, что в свою очередь обуславливает практическую значимость исследований, посвященных изучению закономерностей управления свойствами таких материалов за счет селективной лазерной обработки.
Таким образом, в качестве оптически прозрачных материалов в настоящей работе используются удобные для исследования щелочногалоидные кристаллы и кальцит. Это удобные материалы, традиционно являющиеся объектами исследований, для которых установлены разнообразные методы определения оптической прочности и механических свойств. В то же время тонкие аморфно - нанокристаллические металлические сплавы являются сравнительно новыми материалами. Не смотря на активное изучение таких
! 1
материалов не до конца понятно влияние структурных изменений на механические свойства, а методы механических испытаний нуждаются в совершенствовании. В целях повышения чувствительности и расширения возможностей механических испытаний используемых в данной работе тонких аморфно - нанокристаллических металлических сплавов, потребовалось проведение дополнительных исследований их механических характеристик и создание метода механических испытаний с высокой чувствительностью к механическим свойствам таких материалов с учетом специфики предварительной лазерной обработки [25-27].
Научная новизна работы
1. Установлены общие закономерности лазерноиндуцированного разрушения оптически прозрачного кристалла с исходной макроскопической трещиной, определено влияние исходной трещины на развитие лазерноинду-цированных дефектов. Выявлены причины и характеристики лазерноиндуцированного роста исходных макроскопических трещин в кристаллах, характеризующихся различными оптическими и механическими свойствами. Установлены закономерности взаимодействия исходной и лазерноиндуцирован-ных трещин в оптически прозрачных кристаллах на основе механического моделирования процесса.
Впервые рассмотрена взаимосвязь между процессами, сопровождающими рост трещины, и оптической прочностью прозрачных материалов; комплексно исследованы причины низкой оптической прочности прозрачных материалов с трещинами. Определен характер зависимости оптической прочности прозрачных материалов от времени существования трещины. Выделено три периода существования трещин, в каждый из которых предельная оптическая прочность лимитируется различными факторами.
2. Экспериментально установлены закономерности селективного воздействия лазерного излучения на дефектные нано- и микрообласти в окрестностях вершин трещин. Определены физические механизмы, обеспечивающие повышение оптической и механической прочности прозрачных кристаллов с трещинами за счет перевода трещин в неопасное состояние избирательной лазерной обработкой дефектных областей. Разработана модель процесса, осно-
12
ванная на представлениях о возможности избирательного стимулирования в дефектных областях процессов деформирования, разрушения, релаксации напряжений и залечивания подбором параметров лазерного излучения.
3. Впервые определены закономерности селективной лазерной обработки дефектных нано- и микрообластей в объеме и на поверхности щелочногалоидных кристаллов и кальцита, позволяющей повысить оптическую и механическую (в условиях оптического пробоя) прочность. Оптимизация оптических и механических свойств обусловлена мягким разрушением поглощающих включений и дефектных областей, рассеиванием поглощающих примесей, а также последующей релаксацией механических напряжений и частичным залечиванием. Разработана модель процесса, основанная на последовательном инициировании мощными импульсами лазерного излучения некритических разрушений нано- и микромасштаба и последующем использовании излучения с низкой плотностью мощности для стимулирования залечивания дефектов и релаксации механических напряжений. Установлена возможность двух - четырехкратного повышения оптической прочности материала за счет указанной обработки. Установлено, что увеличение оптической прочности при указанной обработке наиболее существенно на материалах с содержанием примесей до 10° вес.%. На основе разработанной модели процесса объяснена зависимость эффективности лазерной обработки от содержания поглощающих примесей в прозрачном материале.
4. Экспериментально определены закономерности формирования структур поврежденного слоя кристаллов исландского шпата, возникающих в условиях оптического пробоя в широком интервале температур. Определен вклад различных механизмов деформирования (двойникование, трансляционное скольжение), а также термической деструкции в формирование поврежденного слоя кальцита в зависимости от начальной температуры кристалла и мощности лазерного импульса. Экспериментально установлено, что в условиях оптического пробоя в объеме образца возможно деформирование по всем известным системам скольжения и двойникования. Установлены особенности селективной лазерной обработки дефектных нано- и микрообластей в материале, деформирующемся преимущественно двойникованием.
13
5. Для многокомпонентных аморфных металлических сплавов (системы Со-Ре-Сг-В-БО установлена закономерность эволюции механических характеристик от температуры отжига. Определена корреляция ряда механических характеристик с изменением структурного состояния. Исследована зависимость микротвердости тонкой пленки АМС от температуры отжига методом микроиндентирования на различных подложках, выявлены условия, при которых материал подложки не оказывает существенного влияния на получаемые результаты. Показано, что формирующаяся в процессе отжига аморфно-нанокристаллическая структура стабилизируется аморфной матрицей, характеризуется высокой термической стойкостью, что создает предпосылки для избирательной лазерной обработки сплава.
6. Получены новые данные о закономерностях деформирования и разрушения АНМС в условиях локального нагружения инденторами различной геометрической формы на пластичных и упругих подложках. Выявлено влияние механических характеристик подложки на закономерности деформирования и разрушения АНМС. Особенности нагружения композита «металлическое покрытие - полимерная подложка - металлическое основание» исследованы методом экспериментального моделирования. Полученные результаты позволили разработать новый метод исследования механических характеристик тонких лент АМС и АНМС, основанный на локальном нагружении тонкого металлического сплава на подложке инденторами различной геометрической формы.
Разработанный метод имеет высокую чувствительность к пластическим свойствам аморфно-нанокристаллического материала, а также обеспечивает возможность исследования малых лазернообработанных областей. Сформулированы требования к выбору оптимальной подложки и геометрической формы индентора для проведения механических испытаний локальным нагружением. Разработанные методы позволяют: 1) определять при локальном нагружении АМС на эластичной подложке температуры предварительного отжига; 2) определять вероятность образования трещин в условиях локального нагружения; 3) определять пластичность тонких лент АМС, 4) проводить ис-
14
пытания в миллиобластях; 5) адекватно фиксировать изменения пластичности при переходе сплава в аморфно-нанокристаллическое состояние.
7. Впервые показано, что характеристика пластичности 8 аморфнокристаллического наноматериала, выявляемая традиционным и-методом, связанным с макроиспытанием образца, не позволяет корректно регистрировать изменение механических свойств АНМС, а на стадии существования аморфно-нанокристаллического состояния показывает одинаковые околону-левые значения. В то же время, разработанный метод локального нагружения оказывается чувствительным к структурному состоянию и механическим свойствам АНМС и регистрирует многократное изменение величины е!\ связанной с пластичностью АНМС. Полученные результаты позволяют рассматривать величину е;/ в качестве характеристики пластичности тонких аморфно-нанокристаллических металлических материалов.
8. Получены новые данные о закономерностях избирательной лазерной обработки аморфно-нанокристаллического металлического сплава с термостабильной аморфной матрицей, заключающиеся в преимущественном воздействии излучения на дефектные области. Разработана методика контролируемого перевода исходно аморфного металлического сплава в нанокристал-лическое состояние, пригодное для последующей избирательной лазерной обработки.
Экспериментально установлено двух-трехкратное возрастание пластической характеристики е' при сохранении максимального значения микротвердости в условиях двухсторонней многократной сканирующей обработки АНМС серией импульсов наносекундной длительности, что связано с преимущественным воздействием лазерного излучения на дефекты аморфно-нанокристаллических сплавов.
Практическое значение работы
Предложенный в работе метод селективной обработки нано- и микрообластей в прозрачных материалах позволяет повысить оптическую и механическую прочность оптических элементов лазерных систем. Разработанный метод оптимизации оптических свойств прозрачных материалов был исполь-
15
зован при конструировании устройства для определения качества световодов и улучшения их оптических свойств (Тамбовский НИИ Радиотехники «ЭФИР», акт об использовании № 14 от 14.11.2007).
На основании установленного для кристаллов исландского шпата характера повреждения при оптическом пробое в широком интервале температур можно рекомендовать оптимальную эксплуатационную температуру. Полученные в работе результаты позволяют прогнозировать влияние трещин на оптическую и механическую прочность прозрачных материалов, а временная зависимость оптической прочности прозрачных диэлектриков от времени существования в них трещин позволяет прогнозировать долговечность оптических элементов.
Экспериментально установленные закономерности оптимизации механических свойств аморфно-нанокристаллических металлических сплавов импульсным лазерным излучением наносекундной длительности позволяют расширить возможности формирования механических свойств таких материалов.
Разработан новый метод исследования механических характеристик тонких металлических сплавов, основанный на локальном нагружении образца на подложке инденторами различной геометрической формы. Предложенный метод определения пластичности и вероятности формирования трещин расширяет возможности экспериментального исследования. Сформулированы требования к выбору оптимальной подложки и геометрической формы индентора. Метод нашел практическое применение при контроле пластических свойств тонких металлических покрытий (ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артемова», акт об использовании № 8 от 28.11.2007).
Метод механических испытаний тонких металлических покрытий инденторами различной геометрической формы характеризуется высокой чувствительностью к пластическим свойствам материала, позволяет оптимизировать исследования их механических свойств, обеспечивает возможность проведения механических испытаний в миллиобластях. Разработанный метод механических испытаний был внедрен в производство в ОАО «Механический завод Жердевский» (акт о внедрении № 3 от 18.10.2007).
16
На основании проведенных исследований автор защищает следующие научные положения
1. Закономерности оптимизации оптических свойств прозрачных кристаллов избирательной обработкой неоднородных областей нано- и микромасштаба кратковременным воздействием на материал мощного импульсного лазерного излучения и промежуточной длительной обработкой излучением с низкой плотностью мощности; механизм селективного разрушения оптически опасных дефектов и их перевода в неопасное состояние.
2. Методы селективной лазерной обработки дефектных нано- и микрообластей в окрестности исходной трещины, позволяющие перевести трещину в неопасное состояние и повысить оптическую и механическую (в условиях лазерного облучения) прочность кристалла с исходной трещиной за счет избирательного разрушения опасных поглощающих включений, залечивания дефектов, уменьшения механических напряжений и снижения плотности дислокаций.
3. Закономерности взаимовлияния исходной макроскопической трещины и лазерноиндуцированных дефектов основанные как на особенностях механического взаимодействия указанных дефектов, так и на изменении оптических свойств материала с трещинами, и описывающие особенности снижения оптической и механической (в условиях оптического пробоя) прочности материала.
4. Зависимость оптической прочности кристалла с трещинами от времени их существования, в том числе для случая резкого снижения световой прочности кристалла с трещиной при реализации нелинейных оптических явлений.
5. Закономерности смены механизмов деформирования и разрушения, особенности формирования зоны повреждения в условиях оптического пробоя импульсным излучением монокристаллов исландского шпата по мере повышения начальной температуры облучаемого кристалла.
6. Метод механических испытаний, основанный на локальном нагружении тонкого образца АНМС на подложке, характеризующийся высокой чувствительностью к механическим свойствам и структурному состоянию тонких аморфно-нанокристаллических металлических сплавов и позволяющий проводить исследования в микромасштабных областях.
17
7. Закономерности деформирования и разрушения тонких образцов АНМС в условиях индентирования на эластичных подложках, основанные на анализе экспериментальных данных полученных при изучении результатов локального нагружения АНМС на подложках индеиторами различной геометрической формы.
8. Количественный критерий пластичности г1'', выявляемый методом локального нагружения на подложках и характеризующийся высокой чувствительностью к механическим свойствам и структурному состоянию тонких образцов АНМС, состоящих из нанокристаллов, изолированных аморфной матрицей.
9. Закономерности лазерной обработки аморфно-нанокристаллического металлического сплава с термостабильной аморфной матрицей, позволяющей осуществлять селективную обработку дефектных областей, обеспечивающей возможность двух-трехкратного повышения пластической характеристики сплавав' при одновременном сохранении высокого уровня микротвердости.
Научная проблема. Полученные в диссертационной работе результаты в совокупности представляют решение крупной научной проблемы в области физики конденсированного состояния, а именно «Формирование оптических и механических свойств твердых материалов селективной лазерной обработкой неоднородных областей микро- и наномасштабных размеров без изменения свойств окружающего их материала».
Личный вклад автора. На всех этапах выполнения диссертационной работы автор принимал прямое участие в постановке задач данного исследования, в планировании и методическом обеспечении эксперимента, в проведении абсолютного большинства экспериментальных измерений, в обсуждении полученных результатов и формулировании выводов. Вся экспериментальная работа и соответствующие расчеты проводились соискателем лично или при его непосредственном участии. В ряде случаев для обработки экспериментальных данных и проведения расчетов были использованы специально созданные автором программы.
18
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в ста сорока работах, в том числе шестидесяти восьми статьях (из них 39 - статьи в рецензируемых отечественных и зарубежных изданиях).
Апробация работы. Основные результаты исследования были представлены на XXXIII, XXXV, XXXVI, XXXVII, XL, XLII, XLIII Международных семинарах «Актуальные проблемы прочности» (Новгород, 1997 г.; Псков, 1999 г.; Украина, Киев, 2001 г.; Великий Новгород, 2002 г.; Калуга, 2004 г.; Республика Беларусь, г. Витебск, 2000 г.; 2007 г.); на Международных конференциях «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (Тула, 1997 г., 2001 г., 2007 г.); на IV Международной конференции «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (Воронеж, 1996 г.), на Международной конференции по прочности материалов ICSMA-11, ICSMA-13 (Czech Republic, Prague, 1997; Budapest, Hungary, 2003); на IX, X, XI, XII, XIII, XIV, XV, XVI, XVII Петербургских чтениях по проблемам прочности (Санкт-Петербург 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2005, 2006, 2007 гг.); на Международном симпозиуме по нелинейным электромагнитным системам ISEM-Braunschweig (Germany, Braunschweig, 1997); на Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов 1996 г., 2000 г., 2003 г.); на IV и V Международных семинарах «Эволюция дефектных структур в конденсированных средах» (Барнаул, 1998 г., 2000 г.); на Международном научном конгрессе студентов, аспирантов и молодых ученых YSTM’96 (Москва, 1996 г.); на Московском семинаре «Физика деформации и разрушения твердых тел» (Черноголовка, 2002 г.); на X и XI национальных конференциях по росту кристаллов (Москва, 2002 г., 2004 г.); на Международной конференции «General conference Trend in Physics. EPS-12» (Budapest, Hungary, 2002); на Всероссийской конференции «Дефекты структуры и прочности крист&плов» (Черноголовка, 2002 г.); на второй международной конференции «Materials and Coatings for Extreme Performances» (Katsiveil-town, Crimea, Ukraine, 2002); на Международной конференции «Science for Materials in the Frontier of Centuries:
19
Advantages and Challenges» (Kyiv, Ukraine, 2002); на Международной конференции «Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science and Engineering NDTCS» (St. Petersburg, Russia, 1997, 1998, 2001, 2002, 2003, 2004); на Всероссийской конференции студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ 7-10 (С.-Петербург 2001 г.; Екатеринбург, 2002 г.; Красноярск, 2003 г.; Москва 2004 г.); в работе «Державинских чтений» (Тамбов, 1995-2008 гг.); на VI Международном симпозиуме «Современные проблемы прочности» им. В.А. Лихачева (Старая Русса, 2003 г.); на XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Тольятти, 2003 г.); на Международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2001, 2003, 2004, 2005 г.); на II Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2003 г.); на пятой международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2008 г.); на Международной научно-технической конференции «Вычислительная механика деформируемого твердого тела» (Москва 2006 г.; 2007 г.), в работе Международного семинара «Структурные основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий» (Обнинск, 2001, 2003, 2005, 2007 гг.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка цитируемой литературы из 362 наименований и приложения. Работа изложена на 345 страницах, содержит 172 рисунка и 14 таблиц.
Работа была выполнена при финансовой поддержке гранта министерства общего и профессионального образования № 97-0-4.3-185, грантов РФФИ №97-02-26563-3, № 98-01-00617-а, № 06-02-03003-6 (исполнитель), а также фантов РФФИ №97-02-26706-3, № 01-01-00403-а, № 05-01-00215-а, руководителем которых является автор.
20
ГЛАВА 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С НЕОДНОРОДНЫМИ МИКРО- И НАНООБЛАСТЯМИ ФОРМИРУЮЩИМИ ОПТИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
Во многих твердых материалах различные явления и процессы, формирующие уровень интегральных характеристик, определяются эффектами, получающими развитие в областях, имеющих микро- или наноразмер. К таким характеристикам относится, например, оптическая прочность твердых прозрачных материалов, подвергаемых воздействию мощного лазерного излучения. Под действием лазерного излучения с высокой плотностью мощности в неоднородных микро- и нанообъемах возможно развитие различных процессов: нелинейного возрастания поглощения, деформирования, разрушения и пр. В этом случае световая прочность прозрачных кристаллических материалов определяется неоднородными областями с размерами 10'1() -10‘6 м [28-30].
Современные элементы лазерных систем имеют высокую оптическую прочность, однако, в оптически совершенном материале неизбежно присутствует какое-то количество дефектных областей нано-, реже микромасштаба. Основные методы управления свойствами твердых материалов предполагают воздействие на весь материал в целом [31-33]. Использование традиционных методов обработки, например, отжига, сопровождается воздействием на весь материал, что инициирует какое-то изменение свойств во всем материале, а не только в дефектных областях.
Однако, если оптические свойства прозрачных материалов, подвергаемых воздействию интенсивного лазерного излучения, определяются явлениями и процессами, протекающими в микро- и наномасштабных областях, то и управлять свойствами твердых материалов, следует, воздействуя не на весь материал, а на эти локальные области, не затрагивая и не изменяя свойства окружающего материала. Следует учитывать, что в условиях воздействия на материал лазерного излучения не все дефектные области одинаково влияют на оптическую прочность. Например, для оптически совершенного материала может существовать свой опасный размер поглощающих включе-
21
ний, зависящий от длины волны излучения, длительности облучения, химического состава примесей, плотности мощности [34]. Таким образом, метод повышения оптической прочности элементов лазерной оптики должен включать в себя не просто избирательную обработку неоднородных областей, но и адресное воздействие только на те дефектные области, которые представляют опасность для материала, подвергаемого воздействию лазерного излучения с определенными характеристиками. В этом случае формирование свойств материала будет осуществляться за счет избирательного воздействия на отдельные «опасные» микро- и нанообласти, не затрагивая и не изменяя свойства остального материала [11].
Обзор научной литературы, посвященной явлениям лазері юиндуциро-ванного разрушения оптических элементов, позволяет связать эти явления как с взаимодействием излучения с дефектами прозрачного материала (поглощающие включения, микротрещины и пр.), так и с реализацией нелинейных оптических явлений [35-38]. В семидесятых-восьмидесятых годах двадцатого века было установлено, что основными причинами ухудшения оптических и механических свойств элементов лазерной оптики, приводящими, в конечном счете, к их выходу из строя, является наличие в материале дефектных областей, получивших название «поглощающие включения» («поглощающие неоднородности»). Были установлены основные механизмы взаимодействия излучения с дефектными областями, определены особенности изменения дефектных областей, подвергаемых воздействию интенсивного лазерного излучения.
Имеющиеся в современной литературе результаты экспериментальных и теоретических исследований этих процессов имеют сложный, иногда противоречивый характер. Процессы, инициируемые в дефектных областях лазерным излучением, зависят от множества трудно учитываемых факторов, и вероятно, имеющиеся «противоречия» литературных данных обусловлены сложностью учета комплекса факторов, влияющих на процессы изменения дефектных областей, подвергаемых лазерной обработке. В то же время сейчас существует понимание того, что лазерное излучение может нести большой объем информации, необходимый для включения тех или иных процессов [11, 39]. Каждый элемент структуры, каждая система дефектов имеет свои особенности, свои
22
каналы воздействия, что открывает возможность управления дефектными областями с целью получения структур с заданными свойствами.
Таким образом, анализ современных представлений о процессах, сопровождающих взаимодействие лазерного излучения с веществом, позволяет поставить задачу избирательного воздействия света на микро- и нанонеоднородности с локализацией эффекта воздействия в этих областях.
1.1. Физические механизмы инициирования оптического пробоя в твердых прозрачных материалах
Перед обзором литературных данных необходимо определить критерий выбора размерного диапазона 0,1 - 100 нм для неоднородных нанообластей в консолидированных материалах. В некоторых работах максимальный размер элементов наноматериала связывают с каким - либо характерным физическим параметром: размером домена, длиной свободного пробега носителя, диаметром петли Франка-Рида для скольжения дислокаций. Однако, диапазон изменения этих характерных физических параметров, определяющих электрические, магнитные, деформационные свойства, применительно к разнообразным твердым объектам, достаточно широк, установить единый верхний предел не удается [40]. Минимальный размер нанообъекта, применительно к наноматериалам, может быть определен следующим образом. По мере уменьшения размера нанокристалла может реализоваться ситуация, когда элементы симметрии, присущие данному типу кристаллов, будут исчезать, что можно считать нижним пределом ианокристаллического состояния. В рамках такого подхода сохранение элементов симметрии считается разумным до размера, соизмеримого с тремя координационными сферами [41]. В частности, для объемоцентрированной и гранецентрированной кубических структур минимальный критический размер кристаллитов будет составлять 0,5 нм (а-Ре) и 0,6 нм (N1) соответственно. В качестве верхней границы обычно принимают 100 нм. Соответственно, в большинстве стран под термином нано - понимают объекты размером 0,1-100 нм.
В большинстве реальных оптических материалов ухудшение эксплуатационных характеристик оптических элементов, их разрушение под действием излучения обусловлено оптическим пробоем и развитием нано- и микроде-
23
фектных областей. Ранее, в литературе, посвященной оптическому пробою прозрачных материалов, не акцентировали внимание на наноразмерности дефектных областей. В настоящее время, в связи с выделением нанотехнологии в отдельное направление, при рассмотрении явлений, сопровождающих воздействие мощного лазерного излучения на твердые прозрачные материалы, целесообразно учитывать наноразмерности исходных дефектных областей.
Управление свойствами разных классов материалов за счет изменения состояния нано - и микрообластей может быть осуществлено благодаря использованию специально подобранных режимов лазерного излучения. В основе общего подхода при обработке нанообластей в различных материалах лежит возможность контроля времени и области воздействия, выбора требуемого режима воздействия, позволяющего осуществить селективную обработку нано- и микрообластей в твердых материалах.
Прозрачные материалы в условиях воздействия на них мощного лазерного излучения характеризуются высокой чувствительностью к наличию структурных микро- и нанонсоднородностей. Разрушение таких материалов связано с оптическом пробоем (ОП) на поглощающих включениях (ПВ), имеющих нано- (гораздо реже микро-) размерность.
Механизм ОП на ПВ заключается в представлении о наличии в прозрачном материале примесных, «нежелательных» химических элементов. В процессе изготовления и обработки материала они объединяются в сравнительно большие конгломераты - «поглощающие включения».
В результате поглощения света происходит сильный разогрев неоднородности и передача тепла в окружающую среду [35, 36]. После того, как слой у поверхности частицы ионизируется, становится непрозрачным, происходит эффективное увеличение размеров неоднородности (за счет поглощающего слоя среды). Вокруг частицы формируется слой сильно сжатого вещества. Прямое визуальное наблюдение таких частичек проведено в работе [42], где в лазерных стеклах наблюдали металлические включения размером 1*100 мкм, а также в работах [7,43], где исследовали повреждение поверхности оптических элементов с нанесенными на нее частицами А1, Си, ТЮг, ТлОг.
Другим механизмом разрушения являются механические напряжения,
24
инициированные в прозрачном материале лазерным излучением. Обычно рассматривается возникновение термоупругих напряжений за счет некоторого поглощения среды. В работах [44-46] указывается, что за разрушение оптических материалов могут быть ответственны термоупругие напряжения. Вероятность разрушения под действием термоупругих напряжений зависит от длительности импульса т, коэффициента поглощения а и от энергии импульса излучения.
Электронная ударная ионизация обычно рассматривается в качестве основного механизма разрушения чистых прозрачных диэлектриков с высокой оптической прочностью. На основании этого механизма объясняются экспериментальные данные в работах [47-49]. Теоретическое развитие модель получила в работах [50-53]. Показано, что критическое поле ОП зависит как от характеристик излучения (частоты электромагнитного поля О и длительности импульса ти), так и от решетки (в частности от температуры кристалла Т0). Найдена зависимость критического поля пробоя для области высоких (1.1) и низких (1.2) температур:
ионизации, Уя - скорость звука, 1ас - длина свободного пробега электрона, е и т -заряд и масса электрона. Экспериментально найденная частотная и температурная зависимости достаточно хорошо согласуются с предсказываемой теоретически (с учетом недостатка затравочных электронов для больших длин волн).
ОП по механизму многофотонной ионизации возможен при облучении прозрачных материалов с высокой оптической прочностью мощным лазерным излучением. Механизм многофотонной ионизации рассмотрен в работах [50,54,55]. Сам по себе механизм многофотонной ионизации в реальных прозрачных диэлектриках, очевидно, не создает концентрацию электронов, которая поглощала бы энергию, достаточную для образования разрушения [54], это следует из того экспериментального факта, что пороги разрушения материалов под действием излучений с разной длиной волны отличаются лишь в несколько
(1.2)
(1.1)
2
где - напряженность электрического поля световой волны, I - потенциал
25
раз [47], хотя по теории многофотонной ионизации их отношение должно было составить несколько порядков. Механизм многофотонной ионизации может иметь место при действии импульсов с высокой плотностью мощности [56].
Генерация гиперзвуковых волн в процессе вынужденного рассеяния Мандельштама - Бриллюэна рассматривалась в качестве возможной причины разрушения прозрачных материалов, подвергнутых интенсивному лазерному облучению [57-60]. Некоторые авторы объясняли разрушение генерацией гиперзвуковых фононов в результате вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна [57], однако более детальными исследованиями показано, что для реальных прозрачных материалов этот механизм не играет определяющей роли в достижении порога их разрушения [58, 59].
Более того, в работе [58] показано, что появление вынужденного рассеяния Мандельштама - Бриллюэна не только не снижает порог оптического разрушения в стеклах, а наоборот, повышает его. Это может быть связано с тем, что плотность мощности лазерного излучения в фокальном объеме уменьшается за счет перекачки части энергии с помощью вынужденного рассеяния Мандельштама - Бриллюэна в фононы, которые уносят эту энергию из фокальной области. Таким образом, в реальных прозрачных материалах генерация гипер-звуковых фононов в результате вынужденного рассеяния Мандельштама -Бриллюэна не играет определяющей роли в достижении порога их разрушения под действием лазерного излучения, хотя и не следует исключать возможность реализации данного механизма, что связано с большим многообразием условий, в которых может реализовываться ОП.
1.2. Физические процессы, сопровождающие оптический пробой. Вспышка свечения. Деформирование и разрушение в микро- и макрообластях
1.2.1. Современные представления о влиянии временных флуктуаций лазерного излучения на закономерности разрушения
Исследованию влияния временных флуктуаций лазерного излучения на закономерности лазерного разрушения посвящена работа [61]. Авторы отмечают, что пороговая интенсивность лазерного разрушения прозрачных диэлектриков у многих материалов имеет статистический характер. В этом слу-
26
чае за пороговую интенсивность лазерного излучения принимают величину 0,5*Тпор - интенсивность лазерного излучения в области фокусировки, при которой разрушение происходит в половине облучаемых областей материала.
Статистические закономерности лазерного разрушения объясняются в предположении, что разрушение инициируется на ПВ. Дисперсия порога разрушения, обусловленная случайным распределением ПВ в диэлектрике, неразрывно связана с размерным эффектом, т.е. зависимостью 0,5*Тпор от сечения лазерного пучка в области фокусировки.
Другая возможная причина, которая может обуславливать дисперсию порога ОП — это флуктуации лазерного излучения. Неоднократно проводились исследования влияния модового состава лазерного излучения на разрушение [62]. Исследование влияния модового состава лазерного излучения для механизма разрушения, связанного с Г1В, достаточно актуально, т.к. отсутствие точной информации о модовом составе излучения и ПВ не позволяет сделать корректного вывода о механизме разрушения.
Важной особенностью лазерного разрушения является нелинейный рост сечения ПВ с температурой. Роль флуктуаций интенсивности для нелинейных процессов может быть определяющей. Анализ основан на теоретической модели теплового взрыва ПВ. Уравнение, описывающее кинетику роста температуры ПВ под действием импульса лазерного излучения, имеет вид:
1(Т-Т0) + -^-/(г, г0), (1.3)
ш т 4тгК%2т
где Т - температура включения; То - его начальная температура; К - радиус; т - время релаксации температуры включения; %2 - теплопроводность диэлектрика; с(Т) - сечение поглощения включения при температуре Т (сечение поглощения имеет модельный вид ст(Г) = сг0еХр[£(7’-7’0)/7'0], где ^ - численный параметр нелинейности поглощения включения); I - интенсивность лазерного излучения; А^ть) - временная форма лазерного импульса; то - длительность лазерного импульса. На основании (1.3), для случая воздействия импульса прямоугольной формы в работе [62] получают:
о) = 7 Г-ТГЙ О-4)
1 -ехр(-г0 /2т)
27
где ^(то) - пороговая интенсивность инициирования теплового взрыва включения лазерным импульсом длительностью То.
В условиях разрушения прозрачного материала лазерным импульсом с длительностью т0 - 10 - 20 не, с контролем временной формы в пределах Д~1 не (Д - временное разрешение регистрирующей аппаратуры) задача заключается в возможности инициирования теплового взрыва случайными импульсами - выбросами, не разрешенными регистрирующей аппаратурой.
Авторами установлено, что если наблюдаемый импульс имеет гладкую форму, то разрушение не может быть инициировано одиночным флуктуаци-онным импульсом - выбросом.
Авторами также исследовано влияние на развитие теплового взрыва последовательности энергетически «слабых» импульсов (т.е. таких, что отдельный импульс не в состоянии привести к тепловому взрыву включения) длительностью Т1<Д, следующих друг за другом с периодом меньшим Д и, таким образом, не регистрируемых измерительной аппаратурой
Установлено, что дополнительное поглощение энергии включением за счет слабого выброса хорошо компенсируется недостатком поглощения в последующие моменты времени, связанные с падением интенсивности ниже средней за счет флуктуаций. Флуктуации с частотой ^т'1 окажут существенное влияние на развитие теплового взрыва включения. Но поскольку Д<т, они легко детектируются системой регистрации.
Флуктуации интенсивности лазерною излучения оказывают сильное воздействие на развитие теплового взрыва лишь в том случае, когда частота этих флуктуаций сравнима с характерным временем релаксации температуры включений.
1.2.2. Теоретические модели и экспериментальные закономерности разрушения твердых прозрачных диэлектриков в результате оптического пробоя
Математическое описание процесса разрушения твердого прозрачною диэлектрика, подвергнутого воздействию импульсного лазерного излучения, требует учета многих факторов и до сих пор полностью не реализовано.
В работе [63] рассмотрен процесс разрушения изотропных, однородных,
28
ясо
Рис. 1.1. Сферические области Рис. 1.2. а) Схема нагрева частицы излучением лазера, б) Схема положения фронтов при нагреве
разрушения диэлектрика
оптически прозрачных твердых диэлектриков термоупругими напряжениями, возникающими в результате прохождения сфокусированного лазерного им-пульса длительностью 10'ч-10' с.
Предполагается, что излучение оптического квантового генератора сфокусировано в объем диэлектрика короткофокусной оптической системой. Форма фокальной области аппроксимируется сферой радиуса г0, распределение излучения в фокальной области предполагается симметричное. Пренеб-регается явлением теплопроводности, форма импульса считается прямоугольной. Согласно полученным результатам, разрушение может иметь место в двух сферических областях (рис. 1.1): в области г->0 и в области глЗ(3 за
/ 2 "\
счет растяжения 01-г±- . Аналогично две области разрушения наблюдали
I п)
экспериментально [64].
Необходимо рассмотреть работы, выполненные разными авторами, с использованием разных материалов и методик проведения экспериментов.
В работе [65] исследуется динамика лазерного разрушения кристаллов КЭР импульсами излучения неодимового лазера (А,=1,06 мкм), с длительностью на полувысотс тн=410‘8 с. Установлено, что процесс разрушения инициируется в малой области. Поглощение начинается с длительного нагрева, вслед за которым должно происходить резкое возрастание поглощения лазерного излучения за время порядка отношения размера области к скорости звука. Размеры области разрушения разрастаются со скоростью, близкой к скорости звука, (4,7*105 см/с, скорость звука в КХ)Р «5*105 см/с), пока энергия лазерного излучения обеспечивает достаточную плотность тепловой энергии.
29
Авторы делают предположение, что в достаточно чистых диэлектрических кристаллах объемное разрушение под действием наносекундных лазерных импульсов может быть обусловлено волной давления.
Теоретическое исследование Лысикова Ю.И. [35] посвящено аналитической оценке роли термонапряжений, возникающих в среде вокруг непрозрачной неоднородности, в снижении порога ОП прозрачного твердого диэлектрика. Согласно этой модели, в результате поглощения света происходит сильный разогрев неоднородности и передача ею тепла в окружающую среду. Коэффициент поглощения среды предполагается зависящим от температуры, и эта зависимость приводит к увеличению поглощения самой средой, первоначально пренебрежимо малого. Образуется поглощающий «ореол» вокруг неоднородности, увеличивается эффективный поперечник поглощения.
В условиях пробоя в объеме, развивающегося на ПВ, представляющей собой металлическую частицу, разогрев ее лазерным лучом может сопровождаться упруго - пластическими деформациями частицы, увеличением ее размеров и повышением давления в прилегающей к частице зоне среды. Среда, в начальной стадии, является прозрачной, поглощение в ней отсутствует и заметный разогрев отстает на время, определяемое теплопроводностью, от соответствующего разогрева частицы. Повышение температуры среды, в результате действия механизма теплопроводности и соответствующее изменение поглощательной способности материала, увеличивает вероятность развития ОП. Высокое давление, развивающееся в материале, также способно заметно менять поглощательную способность в окружающем частицу объеме.
Автор рассматривает неоднородность в виде металлической сферы первоначального радиуса Яо, помещенной в бесконечную протяженную среду при начальной температуре всей системы Т0 (рис. 1.2).
На систему с начала времени 1=0 падает световой поток, интенсивность которого q=q(t). При падении потока на поверхность частицы часть его поглощается. Поглощенную часть можно записать в виде интеграла по поверхности ^а($,Т)дс!з, где а(8,Т) - коэффициент поглощения, зависящий от температуры поверхности и от свойств участка. На основании теоретических расчетов, а также ряда упрощений, автор получает следующее выражение:
30
Ар =
К\К2а\ ’3«90/ /(4р,с,Л0) /
к2+зкх '%]}
(1.5)
где К| и К2 - коэффициенты связанные с дополнительным давлением в частице и среде в условиях лазерного облучения, Ло - начальный радиус частицы, с3 - скорость звука в среде, I - время, - интенсивность светового потока, а! - коэффициент объемного расширения металла, а - коэффициент поглощения. Из формулы (1.5) следует, что давление вначале линейно растет со временем, затем проходит через максимум и начинает падать.
В условиях сильного сжатия происходит сужение запрещенной зоны вещества Ее. Эта величина входит в выражение для коэффициента поглоще-
ния света веществом у = у0 ехр
2кТ
. Так же, как и изменение температуры
среды, изменение Её способно приводить к увеличению коэффициента поглощения %. Данные, имеющиеся в литературе по зависимостям электронной структуры вещества от давления, свидетельствуют о том, что при давлении ~ 109 Н-м'2 сужение запрещенной зоны составляет величину порядка 0,1Её. С учетом неоднородности распределения давления можно ожидать давлений порядка Ю10 Н-м*2, при которых сужение зоны порядка Е£. Учитывая, что для плавленого кварца Хо~Ю7 м'!, находим, что в этом случае х~Ю' м'1. То есть на расстояниях порядка размера частицы должно происходить почти полное поглощение излучения. Хотя физически это нереально, но свидетельствует о начале пробоя в зоне вещества с высоким давлением.
Зависимость давления от времени может вносить свой вклад в зависимость порога пробоя от длительности действия светового потока. По достижении длительности, для которой Др выходит на максимум, развивается процесс пробоя с перемещающимся фронтом сжатия, и снижение порога пробоя происходит в дальнейшем менее круто.
Теория теплового разрушения световым излучением прозрачных диэлектриков, содержащих ПВ, развита авторами работы [29]. В теории учитываются температурные нелинейности тепловых констант ПВ и окружающей матрицы, а также зависимость коэффициента поглощения от температуры. Показано, что такой учет является существенным в механизме
31
разрушения и приводит к лавинообразному нарастанию температуры внутри ПВ, что соответствует тепловому взрыву. Температура ГТВ будет зависеть от его размеров, характеристик вещества включения и характеристик лазерного излучения. В работе [30] приведен расчет зависимости температуры ПВ от его размеров (рис. 1.3).
В работе [66] исследован эффект нелинейной рефракции, офаничиваю-щей применимость приближения заданного лазерного поля в процессе развития электронной лавины, и проанализировано влияние пространственной диффузии элекгронов из области лавинного размножения на характер развития лавины.
Установлено, что рост плотности электронов в фокальной области лазерного моноимпульса приводит к возникновению нелинейной рефракции излучения из области лавинного размножения. К моменту возникновения нелинейной рефракции температура диэлектрика в фокусе практически не изменяется, а фокальная область остается прозрачной для лазерного излучения.
В работе также показано, что процесс лавинного размножения в остросфо-кусированных пучках лазера имеет пороговый характер. С течением времени радиус области лавинного размножения уменьшается по сравнению с радиусом лазерного пучка и спустя время «10'10 сек выходит на стационарное значение, которое приблизительно в три раза меньше радиуса лазерного пучка. Предполагается, что этот эффект связан с образованием тонких светящихся нитей в фокусе.
В работе [67] отмечается, что процесс поглощения излучения и разрушения вещества лазерным излучением нельзя исследовать без учета обратного воздействия вещества на распределение электрического поля лазерного излучения. Авторы исследуют процесс поглощения сфокусированного лазерного излучения в объеме твердого оптически прозрачного диэлектрика с учетом нелинейного самовоздействия. Авторы установили, что нелинейное са-мовоздействис лазерного моноимпульса, сфокусированного в объем прозрачного диэлектрика, приводит к волне рефракции, возникающей при прозрачном фокусе. Волна рефракции распространяется навстречу лазерному лучу с уменьшающейся во времени скоростью. Поглощение энергии лазерного излучения электронами лавины приводит к возникновению теплового следа волны рефракции и соответствующих термоупругих напряжений, достаточных для разрушения диэлектрика.