» » Дефекты кристаллической структуры и разрушение в рубине
24.12.2014

Исследование расходимости света при генерации лазерного излучения в кристаллических материалах может дать информацию о внутрикристаллической структуре, в частности о блоках и плоскостях скольжения. Эта проблема тесно связана с технологической задачей управления расходимостью луча лазера.
Рассмотрим результаты исследования влияния блочной структуры и плоскостей скольжения на расходимость лазерного излучения кристаллов рубина. Расходимость может быть связана с «эффектом линзы», т. е. с изменением показателя преломления по торцу активного стержня. Изменение показателя преломления зависит от неравномерного распределения примеси-активатора (ионов хрома), обусловленного условиями выращивания кристаллов.
Однако даже при малых изменениях показателя преломления по торцу (1,5*10в-5/0,5*10в-5) наблюдается повышенная расходимость излучения, связанная с дифракционно-теневым эффектом и качественно отличающаяся от расходимости, обусловленной изменением коэффициента преломления.
В работе использовались рубиновые стержни диаметром 7 мм, длиной 75 мм при концентрации хрома 0,035 0,03%, угол между оптической осью кристалла и геометрической осью стержня составлял 30°, изменение показателя преломления по торцу стержня не превышало 2-10в-5. Картины расходимости излучения рассматривались в фокальной плоскости объектива с фокусным расстоянием 75 см перпендикулярно световому пучку лазера.
Обнаружены три типа картин расходимости: А — нормальный тип с центральным максимумом и правильными интерференционными кольцами, Б — помимо центрального максимума наблюдаются лучи, расходящиеся в одном (горизонтальном) направлении, В — помимо центрального максимума наблюдаются лучи, расходящиеся в двух взаимно перпендикулярных (горизонтальном и вертикальном) направлениях. Эти лучи перпендикулярны или параллельны по отношению к оптической оси кристалла и имеют прерывистую структуру, т. е. состоят из максимумов и минимумов освещенности. Подобную прерывистую структуру имеет также центральное пятно.
Аналогичная структура пятен возникает при исследовании не активной расходимости свечения по торцу излучающего кристалла, а пассивный, наблюдаемый при прохождении через кристалл луча непрерывно действующего газового лазера. Преимуществом исследования пассивной расходимости является кроме простоты эксперимента изучение прохождения не только обыкновенного (поляризованного) луча, но и необыкновенного.
Связь дифракционно-теневой расходимости с кристаллографическими позволила предположить, что расходимость связана с Наличием блоков и плоскостей скольжения.
Действительно для кристаллов рубина 90/65-градусной ориентировки характерно наличие блочной структуры с границами блоков, параллельными оси роста кристалла, а также системы плоскостей скольжения по (0001) перпендикулярных оптической оси. При прохождении поляризованного света через кристалл девяностоградусной ориентировки для необыкновенного луча (поляризация света параллельна оптической оси образца) контрастно проявляется теневая картина, обусловленная границами блоков, и не проявляется картина, связанная с наличием плоскостей скольжения.
Если поляризация проходящего света перпендикулярна оптической оси образца (обыкновенный луч), то контрастно видна картина, обусловленная плоскостями скольжения. Генерация рубинового лазера дает только обыкновенный луч, поэтому расходимость за счет блоков должна быть меньше, чем за счет плоскостей скольжения.
Действительно, для кристалла типа Б, в котором нет резко выраженной блочной структуры, расходимость необыкновенного луча нормальная, а для кристалла типа В с резко выраженной блочностью — аномальная. Кристалл А высокого качества, почти не содержащий блоков и плоскостей скольжения, дает нормальную расходимость для обоих типов лучей. Таким образом, одной из причин расходимости луча лазера за счет дефектов кристалла является рефракция — отражение луча от плоскостей скольжения и границ блоков. Однако из картины пассивной расходимости для центрального пятна видно, что существуют и дифракционные эффекты.
Исследование дифракции показало, что ее источниками в большинстве случаев являются изогнутые границы блоков, а не линейные дефекты (пересечения блок — блок, блок — плоскость скольжения, блок — слой роста, блок — торец кристалла). По дифракционным картинам можно оценить размеры областей изменения показателя преломления внутри кристалла, которые составляют 0,1/0,05 мм.
Расходимость луча также изменяется в зависимости от ориентации образца при одинаковой дефектности структуры.
Дифракция приводит к перераспределению плотности энергии по площади сечения кристалла, что может привести к тому, что в отдельных участках плотность энергии станет выше порога разрушения.
Действительно, как видно, картина разрушения образцов коррелирует с дифракционно-теневой расходимостью. Разрушение не происходит одновременно по всей дифракционно-теневой картине, а только в тех местах образца, где плотность энергии превосходит критическую для данного участка. Дальнейшее использование кристалла в качестве активного элемента приводит к полному разрушению его торца в соответствии с дифракционно-теневой картиной.
Подобное заключение можно сделать не только о поверхностной, но и об объемной картине разрушения.
Подробное исследование зависимости порога разрушения поверхности рубина от структурных характеристик проводилось для световых импульсов прямоугольной формы с варьируемой длительностью от 3*10в-7 до 4*10в-4 сек.
В зависимости от обработки (механической полировки, химической полировки, термической монокристаллизации) электронограммы поверхности кристаллов имеют различный вид и указывают на аморфное или монокристаллическое состояние поверхности. Микроисследование показывает, что поверхности имеют зернистую или ступенчатую структуру.
В диапазоне коротких импульсов пороговая мощность для разрушения pd~1/т (т — длительность светового импульса). Для длинных импульсов порог разрушения не зависит от длительности. Положение переходной области зависит от структуры исследуемой поверхности; для образца с аморфной поверхностью изменение характера зависимости наступает при длительности импульса 5*10в-6 сек, а для образца с кристаллической поверхностью — при 2*10в-6 сек. Различие в порогах разрушения образцов при длинных импульсах сильнее, чем при коротких.
Отметим, что разброс экспериментальных данных связан не с флуктуациями мощности и длительности импульсов лазера, а с различной стойкостью отдельных участков материала. Особенно большой разброс величин порога разрушения в отдельных точках поверхности наблюдается для поверхностей, образованных при расколе кристаллов.
Обнаруженная зависимость пороговой мощности разрушения от времени действия импульса не характерна для многофотонного поглощения. В данном случае имеет место тепловое разрушение при однофотонном поглощении света на локальных поверхностных дефектах (микротрещинах, границах блоков, границах двойников, скоплениях дислокаций в плоскостях скольжения).
Тепловой механизм поверхностного разрушения может быть описан следующим образом. Пусть в некотором поверхностном слое кристалла имеются локальные поглощающие центры со средним размером q, отстоящие друг от друга на среднее расстояние l. Предполагается, что коэффициент поглощения для этих центров αгораздо больше коэффициента поглощения света в объеме кристалла.
В результате поглощения света поверхностными дефектами происходит их нагревание до некоторой критической температуры Ткр, при которой происходят необратимые изменения поверхности кристалла. Эта температура зависит от величины поглощенной мощности р и процессов теплоотвода, которые определяют зависимость Tкp от длительности светового импульса. В области коротких импульсов Ткр~рт, т. е. определяется поглощенной энергией.
Интервал длительностей импульса в этой области определяется условием т≤тхар, где среднее характерное время установления стационарной теплопроводности внутри поглощающих центров тxap=cpq2/k (с—теплоемкость, р — плотность, k — коэффициент теплопроводности вещества поглощающего центра). Эти величины могут отличаться от величин с0, р0 и k для остального объема кристалла. В области длинных импульсов (т≥тхар) необходимо учитывать процессы теплопередачи между поглощающими центрами.
Если принять, что поглощающие центры являются точечными, то уравнение теплопроводности будет иметь вид
Дефекты кристаллической структуры и разрушение в рубине

где и=(T—T0), T — температура образца в точке r в момент времени t, T0 — начальная температура, ri — координата i-того теплового источника (поглощающего центра), Qi — его мощность, ψ(t) — функция формы теплового импульса. Суммирование в (7.14) проводится по всем поглощающим центрам.
Приближенное решение уравнения (7.14) при начальном условии и (r, 0)=0 в отсутствие теплоотвода с поверхности в окружающую среду, при прямоугольной форме импульса в длительности т≥тхар имеет вид
Дефекты кристаллической структуры и разрушение в рубине

Поскольку Q = αpv (v — объем поглощающего центра), зависимость пороговой мощности разрушения при т≥тХар, т. е. при влиянии теплопроводности
Дефекты кристаллической структуры и разрушение в рубине

а при т≤тхар (при отсутствии эффектов теплопроводности):
Дефекты кристаллической структуры и разрушение в рубине

Если ввести время
Дефекты кристаллической структуры и разрушение в рубине

такое, что при т≥тmах начинают играть роль процессы теплопередачи между поглощающими центрами, то для более коротких интервалов
Дефекты кристаллической структуры и разрушение в рубине

Для количественного сравнения теоретических и экспериментальных результатов необходимо знать величины q, k и а для поглощающих центров. Размер q оценивается из наблюдаемой величины тxap 5*10в-6 сек (область перехода от зависимости рd~1/k к p=const).
Отметим, что в расчетах не учитывалось, что коэффициент теплопроводности вещества поглощающего центра k может быть заметно меньше величины k0 для остального объема кристаллов, и учет нелинейности процесса (увеличения при нагреве) может привести к уменьшению q.