Механизмы и основные закономерности лазерного разрушения прозрачных твердых тел, обусловленного поглощающими включениями

2
Оглавление
Введение
Глава 1 Механизмы и закономерности лазерного разрушения прозрачных твердых тел (предварительный анализ)
Глава 2 Статистические закономерности лазерного разрушения
прозрачных твердых тел, обусловленного поглощающими включениями
2.1 Порог разрушения в условиях флуктуации лазерной прочности
2.2. Надежность прозрачного твердого тела при воздействии лазерного излучения
2.3. Основное уравнение статистической теории лазерного разрушения
2.4. Статистические закономерности разрушения: ансамбль включений одного типа
2.5 Зависимость порога разрушения от размера области облучения: ансамбль включении нескольких типов
2.6 Взаимосвязь надежности и размерной зависимости порога лазерного разрушения
2.7 Статистические закономерности лазерного разрушения в режиме многократного воздействия
2.8 Сопоставление результатов теории с экспериментальными данными по лазерному разрушению
Глава 3 Механическое разрушение вследствие поглощения лазерного излучения
3.1 Критерии лазерного разрушения в теории и экспериментальной практике
3.2. Механическое разрушение: основные уравнения и используемые приближения
3.3 Критерий механического разрушения прозрачного твердого тела при локальном лазерном нагреве поглощающего включения
с.5
с.17
с.50
с.50 с.53 с.57 с.59
с.61 с.68 с.70 с.76
с.81
с.81 с.85 с.87
3.4
3.5.
Глава
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
Глава 5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
Глава
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
3
Обсуждение результатов расчета Условия возникновения трещины
Тепловая неустойчивость, обусловленная лазерным нагревом поглощающего включения
Условия возникновения тепловой неустойчивости Влияние на порог тепловой неустойчивости различных факторов
Тепловой взрыв Обобщение
Критерии доминирования механизма тепловой неустойчивости в лазерном разрушении прозрачных твердых тел
Фотоионизационная тепловая неустойчивость
Механизм фотоионизационной неустойчивости Объемное разрушение
Механизм разрушения тонкого диэлектрического покрытия: качественный анализ
Разрушение тонкого диэлектрического покрытая: основное уравнение
Зависимость порога лазерного разрушения тонкого покрытия от его параметров
Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными
Зависимость порога разрушения от длительности импульса
Кинетика возрастания температуры включения Время развития тепловой неустойчивости Зависимость порога лазерного разрушения от длительности и формы импульса
Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными
Зависимости порога разрушения от длительности импульса: ансамбль включений нескольких типов
с.90 с.98
с. 106
с. 106 с. 114
с.122 с. 128 с. 129
с.132
с.132 с.135 с.143
с. 148
с. 152
с. 161
с. 166
с. 166 с.171 с.178
с. 181
с. 189
4
Глава 7 Лазерное разрушение в режиме многократного облучения с. 198
7.1 Механизмы накопления необратимых изменений с.198
7.2 11акоплснис необратимых изменений при воздействии импульсов большой длительности: тепловой механизм с. 198
7.3 Сопоставление с экспериментальными данными с.210
Выводы с.214
Литература с.215
5
ВВЕДЕНИЕ
Лазерное разрушение (ЛР) прозрачных твердых тел, обнаруженное в 1964 г. [1-4], занимает особое место среди задач взаимодействия излучения с конденсированной средой. Само по себе, представляя интерес, как одно из проявлений фундаментальных механизмов взаимодействия излучения с веществом, оно, вместе с тем, ограничивает область интенсивностей, в пределах которой могут быть исследованы другие процессы взаимодействия, не приводящие к разрушению. Но этой причине задача повышения лазерной прочности прозрачных твердых тел имеет важное значение для исследования всех без исключения процессов взаимодействия излучения с веществом, реализующихся при предельно высоких интенсивностях.
Понимание механизмов ЛР принципиально важно также и для решения практических задач создания мощных источников когерентного излучения, так как разрушение являете я главным фактором, ограничивающим предельно достижимые интенсивности лазерного излучения.
Механизмы ЛР прозрачных твердых тел можно разделить на два класса: собственные (ударная и многофотонная ионизация и др.) и несобственные, то есть обусловленные инородными включениями, примесями, различного типа дефектами в твердых телах.
С точки зрения построения теории ЛР интерес представляют оба класса механизмов разрушения. Изучение собственных механизмов позволяет установить величины предельных интенсивностей лазерного излучения, превышение которых с неизбежностью приводит к разрушению мате-
6
риала. Однако эти механизмы могут реализоваться лишь в сверхчистых, специально отобранных образцах прозрачных твердых тел |5]. Факт экспериментального наблюдения собственных механизмов разрушения в различных условиях и материалах до настоящего времени является дискуссионным.
К настоящему времени твердо установлено, что в подавляющем большинстве случаев лазерное разрушение прозрачных твердых тел инициируется поглощающими включениями.
Можно привести большое количество экспериментальных фактов, подтверждающих доминирующую роль поглощающих включений в процессах ЛР прозрачных твердых тел. Наиболее яркими из них являются: вариации порогов разрушения в образцах из одного и того же материала, полученных по одинаковой технологии; рост порога разрушения материала по мере его очистки; статистические закономерности ЛР (вариации порога разрушения по объему одного и того же образца, размерная зависимость порога разрушения и др.).
В результате многочисленных экспсриметальных исследований накоплен гигантский объем экспериментальных данных о закономерностях Л Р. Исследованные закономерности касаются как разрушения объема прозрачных твердых тел, так и поверхности, и тонких диэлектрических покрытий.
Применяемые методы анализа полученных результатов, как правило, основаны на эвристических соображениях априорного характера, не имеющих под собой надежной теоретической основы. Это приводит к необоснованному толкованию результатов экспериментального исследования и неверным выводам относительно механизма разрушения.
7
Таким образом, исследование механизмов и закономерностей ЛР прозрачных твердых тел, обусловленного включениями, является принципиально важной задачей для понимания роли поглощающих включений в ЛР.
Цель диссертации - разработать последовательную теорию лазерного разрушения реальных прозрачных твердых тел, обусловленного поглощающими включениями.
Работа включает исследование всех основных проблем ЛР: механизмы ЛР объема, поверхности и тонких диэлектрических покрытий прозрачных твердых тел, морфология разрушения, закономерности ЛР (зависимость порога ЛР от длительности импульса, размерная зависимость, статистические закономерности, эффект' накопления и др.), особенности ЛР в области импульсов сверхкороткой длительности.
Научная новизна. В работе проведено фундаментальное исследование ЛР прозрачных изсрдых тел, обусловленного поглощающими включениями. Исследование затрагивает все основные разделы теории, представляющие важное значение: механизмы поглощения лазерного излучения, нагрев включений излучением с учетом зависимости характеристик материалов от температуры, условия возникновения тепловой неустойчивости и кинетику ес развития, стадию механического разрушения, процесс формирования необратимых изменений при подпороговых уровнях воздействия, а также статистические проявления разрушения, обусловленные распределением включений по объему (или поверхности) прозрачного твердого тела. В работе проанализированы основные закономерности ЛР, обусловленного включениями. Сюда относятся: зависимость порога ЛР от объема области взаимодействия (“размерный эффект' ) и от
8
длительности лазерного импульса, зависимость вероятности разрушения от интенсивности излучения, зависимость порога ЛР тонких однослойных диэлектрических покрытий от их параметров, закономерности разрушения в условиях многократного облучения (‘ эффект накопления’' и пр.), модификация наблюдаемых зависимостей при изменении условий испытания и др. Сформулированы критерии доминирования механизма разрушения, обусловленного включениями.
Научная и практическая ценность. Разработанная теория лазерного разрушения прозрачных твердых тел поглощающими включениями дает адекватное описание процессов взаимодействия мощного излучения с реальными прозрачными твердыми телами, приводящими к фазовым изменениям (разрушению), позволяет дать обоснованное толкование наблюдаемых закономерностей разрушения. Предсказанные закономерности лазерного разрушения позволят выбрать направление совершенствования технологии изготовления оптических материалов и элементов, обработки их поверхности и нанесения тонких диэлектрических покрытий в направлении повышения их лазерной прочности.
Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, в котором резюмированы результаты работы.
Расположение материала предполагает последовательное введение минимально возможного количества физических предположений. Так, после анализа экспериментальных данных, прежде всего, излагается статистическая теория ЛР. Она не требует идентификации конкретного механизма разрушения. Единегвенный факт, лежащий в ее основе - ЛР обусловлено поглощающими включениями субмикронного размера, равномерно распределенными по объему (или поверхности) прозрачного твердо-
9
го тела. Результаты статистической теории ЛР обладают наибольшей общностью. Существенно также, что без привлечения статистических представлений невозможно корректное сопоставление зависимостей порога ЛР, рассчитанных в рамках каких-либо механизмов с данными эксперимент. По этой причине изложение статистической теории ЛР предшествует исследованию механизмов разрушения
Далее изучается стадия механического разрушения. Ее анализ, также как и статистическая теория ЛР, не требует конкретизации механизма поглощения энергии лазерного излучения. В основу исследования положено предположение, что энергия, тем или иным путем, выделилась в ограниченном объеме прозрачного твердого тела. Полученные результаты применимы к анализу как собственного, так и несобственного механизма ЛР В нано- никосекундной области длительностей лазерных импульсов ЛР, как правило, завершается формированием трещины, так что изучение стадии механического разрушения необходимо для последовательного исследования ЛР.
Механическое разрушение, как следует из анализа условий его реализации, возникает при температуре несколько тысяч градусов. По этой причине далее рассматривается нагрев включения лазерным излучением с учетом зависимости характеристик материалов от температуры. Исследование на1рсва включения выполнено без привлечения конкретного механизма роста поглощения, а только на основе предположения о возрастании коэффициента поглощения материалов с увеличением температуры. Показано, что рост поглощения в области включения в условиях лазерного нагрева приводит к возникновению тепловой неустойчивости, резкому росту температуры и механическому разрушению. Анализ кинетики развития те-
10
пловой неустойчивости позволяет построить теорию одной из основных зависимостей в ЛР - зависимости порога разрушения от длительности импульса. Заметим, что в основе теории на данном уровне рассмотрения использовано всего три предположения: доминирующая роль поглощающих включений в ЛР, возрастание коэффициента поглощения материалов с увеличением температу ры и концепция тепловой неустойчивости.
Анализ механизма возрастания поглощения в прозрачном твердом теле выполняется после исследования условий возникновения тепловой неустойчивости. Показано, что этим механизмом является процесс фого-ионизации матрицы тепловым излучением нагретого включения. В рамках этого механизма проведено исследование зависимости порога разрушения покрытий от их характеристик. Подчеркнем, что закономерности разрушения покрытий могут быть поняты только с привлечением механизма фотоионизации материатов тепловым излучением нагретог о включения.
При построении теории эффекта накопления показано, что существуют два различных типа процесса накопления. Один из них реализуется в области импульсов “большой” лпитслмгости; он описывается Аррсниусов-ским законом для вероятности образования дефекта в окрестности поглощающего включения. Другой - в области импульсов “малой" длительности и тесно связан с развитием фотоионизационной неустойчивости.
Первая глава носит вводный характер. Ее задача - представить основы физики ЛР. Обсуждаются маскирующие эффекты, затрудняющие корректное сопоставление экспериментальных данных как с результатами теоретического исследования, проведенного в данной диссертации, так и с данными, представленными в других работах. Рассмотрены как собственные, так и несобственные механизмы Л Р. На их основе проанализированы
11
экспериментальные данные, и показана доминирующая роль поглощающих включений в ЛР реальных прозрачных твердых тел. Выделены закономерности ЛР, свободные от противоречий и не вызывающие сомнений. Показано место наших работ среди других публикаций по ЛР.
Во второй главе разработана последовательная теория статистических закономерностей ЛР прозрачных твердых тел, обусловленного поглощающими включениями. Обсуждаются характеристики процесса ЛР в условиях флуктуаций лазерной прочности. Введено понятие надежности прозрачного твердого тела, которая положена в основу исследования статистических закономерностей ЛР. Проанализированы свойства ансамбля включений и рассчитана надежность прозрачного твердого тела. Получено основное уравнение статистической теории ЛР, решение которого дает экспериментально наблюдаемую зависимость порога ЛР от условий испытания. Найдено его решение для случая разрушения поверхности пучком с гауссовым пространственным профилем интенсивности. Исследованы статистические закономерности ЛР для ансамбля включении одного типа; сформулирован критерий доминирования включений одного типа в ЛР прозрачного твердого тела. Изучена модификация размерной зависимости порога разрушения при изменении условий проведения испытаний на лазерную прочность для ансамбля включений нескольких типов. Проанализировано поведение дисперсии порога ЛР. Исследована взаимосвязь надежности и размерной зависимости порога Л Р. Проведено обобщение статистической теории ЛР, развитой для режима однократного воздействия, на случай многократного. Рассчитана надежность, получено основное уравнение статистической теории и изучены статистические закономерности ЛР для режима многократного воздействия. Установлено подобие ста-
12
тистических закономерностей ЛР для режимов однократного и многократного воздействия. Показано хорошее соответствие результатов развитой статистической теории с экспериментальными данными по ЛР.
В третьей главе изучена завершающая стадия ЛР - образование трещины вследствие термоупругих напряжений в окрестности области локального нагрева. Анализируется проблема критерия разрушения в теории и экспериментальной практике. Показано, что в подавляющем большинстве применяемые критерии являются косвенными, то есть, не связаны с завершающей стадией Л Р. В связи с этим одной из целей данной главы являлась формулировка критерия механического разрушения прозрачного твердого тела вследствие его локального наг рева при поглощении лазерного излучения. Такая формулировка дана на основе решения уравнений термоупругости. Изучена задача о термоупругом состоянии прозрачного твердого тела при локальном нагреве лазерным излучением. На основе анализа термоупругого состояния сформулирован критерий механического разрушения, адекватный задаче ЛР. Проведен анализ области применимости развитой теории, и получены оценки критической температуры инициирования механического разрушения. Рассмотрены условия формирования трещины при локальном лазерном нагреве прозрачного твердого тела. Показано, что возникающая область разрушения имеет конечный размер, следствием этого является переход от процесса образования трещины к разрушению по абляционному механизму. Получены численные оценки длительности импульса, при которой этот переход реализуется. Результаты оценок хорошо совпадают с экспериментальными данными по ЛР в области импульсов сверхкороткой длительности.
13
В четвертой главе разработана теория тепловой неустойчивости (ТН), обусловленной лазерным нагревом поглощающего включения. Сформулирован метод расчета пороговой интенсивности и температуры ТН. Исследовано влияние различных факторов на порог ТН (наличие поверхности вблизи поглощающего включения, тепловое сопротивление на границе включение-прозрачное твердое тело, насыщение поглощения в области включения и др.) Получены ограничения на скорость возрастания поглощения с увеличением температуры, обеспечивающие возникновение ТН. Показано, что пороговая температура ТН, в отличие от пороговой интенсивности, определяется механизмом возрастания поглощения излучения и не зависит от геометрических факторов (размера включения, близости к поверхности и др.). Изучены условия, при которых развитие ТН приводит к тепловому взрыву, то есть резкому росту температуры до уровня, достаточного для инициирования механического разрушения. Получен критерии доминирования механизма ТН в ЛР прозрачных твердых тел.
В пятой главе анализируются механизмы возрастания поглощения излучения, приводящие к ТН. Показано, что доминирующим является фо-тоионизационный механизм. Исследованы особенности фотоиоиизацион-ной ТН при объемном разрушении прозрачного твердого тела. 11риведены численные оценки пороговой интенсивности и температуры фотоиоииза-ционной ТН. Установлен критерий доминирования фотоионизационного механизма в ЛР прозрачных твердых тел. Сформулирована модель ЛР гонкого диэлектрического покрытия, основанная на фотоионизационном механизме возникновения ТН. Исследованы закономерности разрушения гонких покрытий: зависимость порога разрушения покрытия от ширины запрещенной зоны материала покрытия, его толщины и др. Показано, что
14
фундаментальным фактором, определяющим закономерности ЛР покрытий, является зависимость его порога разрушения от ширины запрещенной зоны материала, из которого покрытие изготовлено. Выполнено сопоставление результатов теоретического расчета с экспериментальными данными о ЛР покрытий.
В шестой главе изучена кинетика ТН и, на ее основе, одна из фундаментальных зависимостей в ЛР прозрачных твердых тел - зависимость порога разрушения от длительности импульса. Исследование проведено в рамках уравнения теплопроводности. Показано, что для включения малого размера оно может быть преобразовано к уравнению теплового баланса. Проведен качественный анализ кинетики температуры включения при лазерном нагреве. Показано, что время развития ТН определяется ее кинетикой в области пороговой температуры ТН. Получено аналитическое решение, определяющее кинетику ТН. Исследована зависимость времени развития ТН от интенсивности лазерного излучения и длительности импульса. Выполнен расчет зависимости порога ЛР от длительности импульса, как для прямоугольной, так и гауссовой временной формы. Обнаружено существенное различие поведения указанной зависимости в этих случаях. Изучено влияние статистических закономерностей ЛР на зависимость порога разрушения от длительности импульса. Показано, что для ансамбля включений нескольких типов зависимость существенно модифицируется в области импульсов малой длительности. Проведено сопоставление зависимо-сги порога ЛР от длительности импульса, рассчитанной теоретически, с экспериментальными данными, полученными при различных условиях исследования в различных областях длительностей лазерных импульсов: милли- наносекундного, нано- пикосекундного, а также пико- фемтосе-
15
кундного диапазона. Сопоставлетгие выполнялось с учетом влияния статистических закономерностей ЛР. Во всех указанных диапазонах длительностей импульсов получено хорошее соответствие результатов расчета с экспериментальными данными.
В седьмой главе исследуется механизм ЛР в режиме многократного облучения. Сформулирована феноменологическая модель процесса накопления необратимых изменений в окрестности поглощающего включения, внедренного в прозрачный материал. Исследованы закономерности процесса накопления. В частности показано, что он имеет пороговый характер, рассчитана зависимость числа импульсов облучения, приводящих к разрушению, от интенсивности лазерного излучения, учтено влияние случайного распределения включений по объему прозрачного твердого тела и т.д. Даны оценки величины пороговой интенсивности эффекта накопления. Проведено сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными по исследованию эффекта накопления в полиметилметакрилате. Исследованы особенности процесса накопления в области импульсов сверхкороткой длительности. Показано, что в этой области длительностей эффект накопления определяется механизмом фотоионизационной ТН. Проанализированы возможные сценарии разви тия разрушения в условиях накопления необратимых изменений.
Достоверность и обоснованность разработанной теории подтверждается совпадением результатов расчетов, изложенных в диссертации, с экспериментальными данными, опубликованными в литературе для широкого класса материалов и условий эксперимента.
Апробация работы и публикации. Результаты работы доложены на II Всесоюзной конференции “Оптика лазеров” (Ленинград, 1980 г.), VI
16
Всесоюзной конференции по “Взаимодействию излучения с веществом" (Паланга, 1984 г.), VII Всесоюзной конференции по “Взаимодействию излучения с веществом’’.(Ленинград, 1988 г.), The 1989 Solid State Lasers conference (San Jose, USA, 1989 г.), XV-th International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (St.Peterburg, 1995 г.), XVI-th International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Moscow 1998 г.), а также неоднократно докладывалась на ежегодных симпозиумах по оптическим материалам для мощных лазеров (Laser Induced Damage in Optical Materials, Boulder, USA), в 1988, 1993, 1994, 1995, 1996, 1997, 1998 и 1999 г.г. и опубликованы в работах [6-45].
17
Глава 1. МЕХАНИЗМЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЛАЗЕРНОГО РАЗРУШЕНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ ТВЕРДЫХ ТЕЛ (предварительный анализ)
Порог разрушения. Физическая картина взаимодействия лазерного излучения с прозрачными твердыми телами сильно зависит от величины интенсивности излучения. При низких уровнях интенсивности, /, излучение беспрепятственно проходит через материал. Увеличение / до некоторого критического уровня приводит к возникновению различных нелинейных эффектов, а также, при / > 1(1 (где /({ - порог ЛР; индекс (I применяется для обозначений величин, определенных экспериментально, а, для рассчитанных величин порогов используется индекс //;), к резкому росту поглощения излучения, приводящему к разрушению прозрачного твердого тела. Этот фундаментальный факт - пороговый характер лазерного разрушения - был установлен в первых же работах, в которых сообщалось о его наблюдении [1-4], и подтвержден всей практикой исследования ЛР объема материала, его поверхности и тонких диэлектрических покрытий.
Условия испытания. Величина порога ЛР зависит от многих физических параметров: длительности лазерного импульса, размера области взаимодействия, частоты лазерного излучения и др. Существенно, что Iс[
меняется с изменением этих параметров, причем изменение одного из них ведет к изменению зависимости 1а от других параметров. Например, изменение длительности импульса приводит к изменению зависимости порога ЛР от размера области обучения и, наоборот, изменение размера области взаимодействия обуславливает изменение зависимости 1с1 от длигель-
18
ности импульса. Несмотря на это, многие авторы не приводят исчерпывающей характеристики условий испытания. Это затрудняет, а часто делает невозможным сопоставление результатов исследования, опубликованных в разных работах. Дело усугубляется также тем, что порог ЛР фиксируется разными авторами по разным проявлениям: механическому разрушению, возникновению искры, блокировке прошедшего излучения и др. Несомненно, что возникновение искры и блокировка излучения, как правило, сопровождаются образованием трещины, так что полученные величины порогов должны быть равны. Вместе с тем в ряде случаев искра наблюдалась без образования трещины |6,46], что вносит дополнительную неопределенность в определение порога ЛР.
Предпринимались неоднократные попытки введения “стандартных” методов испытаний прозрачных твердых тел на лазерную прочность (см. например [47-54]), позволяющих последовательно выполнять сопоставление порогов разрушения, полученных разными авторами. Эти попытки, однако, закончились безрезультатно.
Маскирующие эффекты. Основной характеристикой материала, с точки зрения ЛР, является пороговая интенсивность инициирования разрушения. Любой процесс, приводящий к изменению распределения лазерного излучения в области взаимодействия, способен исказить результат исследования и привести к его неправильному толкованию. К таким процессам относятся: нелинейная рефракция, вынужденное рассеяние Ман-дсльштама-Бриллюена (ВРМБ), а также всевозможные интерференционные эффекты.
Наиболее яркое проявление нелинейной рефракции - самофокусировка излучения, приводящая к резкому росту интенсивности излучения в
19
области взаимодействия. Не удивительно, что в ряде случаев разрушение прозрачных твердых тел происходит через стадию самофокусировки излучения [55,56].
Количественный учет влияния самофокусировки на распределение интенсивности в области взаимодействия представляет значительные трудности. Ее обычно стремятся исключить при экспериментальном исследовании ЛР прозрачных твердых тел, чего можно достичь, применяя острую фокусировку излучения. Следует, однако, иметь в виду, что далеко не все исследования могут быть проведены с применением лишь острой фокусировки излучения. Примером может служить исследование зависимости порота ЛР от сечения пучка излучения (“размерный эффект”). Такие эксперименты должны тщательно анализироваться с точки зрения влияния самофокусировки излучения на результаты исследования.
Особый интерес представляет процесс дефокусировки излучения, так как он приводит к уширению пучка и насыщению интенсивности излучения в фокальной области. В таких условиях разрушение может оказаться невозможным, несмотря на рост энергии в лазерном импульсе. Этим эффектом объясняется отсутатвис разрушения в Ое при действии излучения С02 лазера [57].
Впервые о наблюдении ВРМБ сообщалось, но-видим ому, в работе [4]. Существенно, чю в ранних работах наблюдение ВРМБ всегда сопровождалось разрушением образцов, в результате было выдвинуто предположение, что ВРМБ ответственно за разрушение прозрачного твердого тела [1,4]. Позднее эта точка зрения экспериментально обосновывалось в работах [58-60].
20
В [61,62] была разработана последовательная теория ВРМБ. Оценка напряжения, возникающего в прозрачных твердых телах при ВРМБ, выполненная на ее основе, показала, что его величина на порядок меньше реальной прочности материалов. Кроме того, было обнаружено, что в ряде случаев ВРМБ наблюдается без разрушения исследуемого образца 163-65]. Эти противоречия с гипотезой об определяющей роли ВРМБ, как механизма ЛР, привели к постановке целенаправленных исследований влияния ВРМБ на процесс разрушения прозрачных твердых тел. Первой работой этого направления была, по-видимому, [66] в которой исследовалось разрушение силикатного стекла на длинах волн рубинового (0,69 мкм) и неодимового (1,06 мкм) лазеров. Было найдено, что при воздействии излучения с Я =0,69 мкм порог ВРМБ в два раза превышает порог разрушения стекла. При воздействии излучения с Я = 1,06 мкм порог ЛРбыл выше, чем для излучения с Я =0,69 мкм, а ВРМБ вообще не наблюдалось. Повышение порога ВРМБ было связано с большей величиной ширины спектра генерации лазерного излучения с Я = 1,06 мкм. Уменьшение ширины спектра генерации не приводило к изменению порога ЛР стекла, но при плотности энергии, вдвое превосходящей порог разрушения, удалось наблюдать и ВРМБ На основе обнаруженных закономерностей был сделан вывод, что в силикатном стекле разрушение не связано с ВРМБ. Этот результат был подтвержден большим количеством исследований, выполненных на различных материалах [67,68], что позволило сделать окончательный вывод: ВРМБ не может быть ответственным за разрушение прозрачных твердых тел.
Позднее влияние ВРМБ на порог ЛР исследовалось лишь в аспекте маскирующего эффекта, способного изменить наблюдаемые зависимости и
21
привести к неверным выводам относительно механизма разрушения (см. например [69]). Эти работы не дали каких-либо новых результатов. Рекомендации, как правило, сводятся к исключению ВРМБ при исследовании разрушения, что достигается уменьшением фокусного расстояния объектива, используемого при исследовании разрушения.
Значительное влияние па результаты исследования могут оказать всевозможные интерференционные эффекты.
При многомодовом режиме генерации за счет интерференции различных мод в области взаимодействия формируются “горячие точки”, интенсивность излучения в которых значительно превосходит средние величины. В таких условиях говорить об измерении абсолютных величин пороговых интенсивностей и корректном определении закономерностей разрушения нет оснований, что стало очевидным после работ [70,71].
Селекция поперечных мод исключает пространственные флуктуации лазерного излучения, но не устраняет временные, связанные с наличием нескольких продольных мод. К сожалению, селекция продольных мод до сих пор не стала обязательной при исследовании лазерной прочности прозрачных твердых тел; их роль в ЛР по-прежнему обсуждается в ряде работ. Так в [72] высказано (и экспериментально обосновывается) предположение, что статистические закономерности разрушения стекол, о которых неоднократно сообщалось, не связаны с механизмом ЛР, а являются следствием интерференции продольных мод лазерного излучения. Эго утверждение не является бесспорным, и для окончательного ответа необходимы дополнительные исследования.
Теоретических работ, посвященных изучению влияния модового состава излучения на процесс разрушения, практически нет в литературе. Ис-
22
кшочение составляет, по-видимому, наша работа [25]. В ней для механизма разрушения, обусловленного ТН в окрестности поглощающих включений, определены условия, при которых биения продольных мод излучения не приводят к изменению порога разрушения прозрачного твердого тела.
Интерференционные эффекты шрают важную роль при разрушении поверхности и покрытия, в том числе и в условиях применения одночастотного режима работы генератора излучения.
В работе |73| высказано предположение, что различие порогов ЛР входной и выходной поверхности прозрачных твердых тел связано с особенностями Френелсвского отражения: интерференция падающей и отраженной волны формирует различные эффективные поля на этих поверхностях. Эта гипотеза хорошо объясняет различие порогов разрушения входных и выходных граней стекол [73-75], а при падении излучения под углом Брюстера предсказывает равенство порогов разрушения обеих граней, что и наблюдается на практике [74].
Большое количество поверхностей у диэлектрических покрытий (как отражательных, так и просветляющих) делает учет интерференционных эффектов принципиально важным при исследовании их лазерной прочности. Впервые эти эффекты, насколько нам известно, привлекалась в работе [76] для объяснения более высокого порога ЛР однослойного покрытия толщиной Л/ 4 по сравнению с покрытием толщиной Л/2. Истолкование зависимости порогов ЛР покрытий от их толщины базируется на представлении о корреляции порога разрушения с максимумом стоячей волны в области покрытия, формирующейся в результате интерференции [76-83]. В настоящее время нет сомнений, что интерференционные явления требуют тщательного учета при исследовании ЛР покрытий. В частности, они объ-