1.3. Разрушение прозрачных твёрдых тел

Рис.15. Увеличенная фотография микродефектов в стекле.

Разрушения, возникающие в прозрачных твердых телах под действием лазерного излучения, наиболее целесообразно разделить на разрушения, возникающие в идеально чистых средах, и разрушения, обусловленные примесями. В этих случаях различных механизмах, приводящие к разрушению. В чистой среде это оптический пробой, качественно аналогичный пробою в газе; в средах с примесями — разрушения, связанные с нагревом примесей при поглощении излучения. Соответственно возникает разделение и по режимам генерации лазеров, и по определяющим характеристикам излучения с точки зрения их влияния на процессы, приводящие к разрушению. Пробой, являясь нелинейным эффектом, зависит от мощности излучения, а нагрев примесей — в основном от энергии излучения.

Наконец, надо иметь в виду, что в рассматриваемой проблеме существенное значение играют рассмотренные выше процессы, изменяющие мощное лазерное излучение при его распространении в прозрачных нелинейных средах: изменение частоты излучения из-за вынужденного рассеяния излучения, возбуждения высших гармоник, взаимосвязи волн, а также изменение направления распространения излучения из-за нелинейной рефракции. Как и в других случаях, особо важную роль играет самофокусировка излучения, локально повышающая его интенсивность.

1.3.1. Разрушение идеально чистых тел

Первое, что надо иметь в виду,— идеально чистые твердые прозрачные среды практически не существуют. В любом кристалле, стекле всегда имеются макроскопические локальные примеси, представляющие собой локальные области, имеющие иной коэффициент преломления и поглощения, чем сама среда. Типичным примером являются непрозрачные примеси. Эти примеси, как правило, носят технологический характер, они обусловлены методикой изготовления кристалла или стекла. Типичным примером являются частички платины, из которой изготавливаются тигли, в которых варят стекло. При среднем (по объему) коэффициенте поглощения прозрачных кристаллов и стекол порядка 10^-3—10^-5 см^-1 локальный коэффициент поглощения таких примесей может достигать значений порядка 10²—10³ см^-1, т.е. превышать среднее значение на много порядков величины. Однако по чисто технологическим причинам некоторые кристаллы удается выращивать в таких условиях, когда количество примесей минимально. В качестве примера можно привести кристаллы NаС1 и КСl. Результаты экспериментов с такими, почти совершено однородными средами, могут с достаточным основанием сопоставляться с теорией пробоя идеально однородных сред.

Процесс пробоя состоит из следующих этапов:

1. Мощное лазерное излучение создает свободные электроны. Хотя мы считаем, что среда не поглощает, в результате воздействия мощного лазерного импульса может произойти двухфотонное поглощение.

2. Действующее лазерное излучение ускоряет электроны, которые способны выбить связанный электрон из атома. Энергия, которую необходимо набрать электрону в зоне проводимости, равна ширине запрещенной зоны, которая меньше потенциала ионизации атома или молекулы газа. Поэтому пробой твердого тела происходит легче чем газа.

3. Развивается электронная лавина.

4. Быстрый локальный нагрев и плавление среды.

5. Повышение давления и возникновение механических напряжений между модифицированной областью и областью, в которой не происходило поглощение энергии лазерного импульса, что приводит к разрушению твердого тела и возникновению микродефекта.