» » Особенности разрушения стекол
25.12.2014

Стекла представляют собой класс прозрачных веществ, для которых можно ожидать много интересных эффектов. Действительно, при воздействии импульсов напряжений стекла обычно хрупко разрушаются. Поэтому можно было исследовать механизмы и виды разрушения, начинающиеся как с поверхности, так и внутри твердого тела. Кроме того, в стеклах возможны структурные превращения под действием света.
Рассмотрим результаты исследования воздействия лазерного излучения на светочувствительное стекло.
Для исследования было взято светочувствительное стекло 2Л литиевоалюмосиликатной системы. Чувствительность стекла к действию ультрафиолетового и более коротковолнового излучения обусловлена введением в него ионов церия в качестве оптического сенсибилизатора (0,03% в пересчете на CeO2) и ионов серебра (0,04% Ag).
Элементарная схема происходящего при облучении процесса:
Особенности разрушения стекол

Освобожденные электроны переходят на метастабильные уровни, а при повышенных температурах, перемещаясь, локализуются вблизи ионов серебра, приводя в конечном счете к их восстановлению:
Особенности разрушения стекол

Появление атомарного серебра сопровождается возникновением желтой окраски (максимум поглощения при 405 мм). Ввиду весьма малой растворимости атомарного серебра в стекле при дальнейшей термообработке происходит его коагуляция с образованием коллоидных кристаллов серебра размерами порядка 100А (максимум поглощения смещается в область 420/425 нм). Эти кристаллики при более высоких температурах становятся центрами кристаллизации метасиликата лития, возможно, вследствие кристаллографического соответствия, что приводит к образованию фотоситалла.
Стекло, не подвергнутое термообработке, максимально поглощает в области 275 нм; в видимой (тем более красной) части спектра поглощения почти нет.
Исследовались образцы в форме параллелепипедов, полированные с 6 сторон для обеспечения возможности фокусировки луча внутрь образца без существенных потерь на рассеяние. Для облучения образцов использовались оптические квантовые генераторы (лазеры) на рубине (длина волны λ=6943 А, мощность 10/50 Мвт, длительность светового импульса 10в-8 сек) и на стекле, активированном неодимом (λ=10 600 А, мощность 150/20 Мвт, длительность светового импульса 5*10в-8/10в-7 сек). После облучения и различных видов термообработки образцы исследовались с помощью поляризационного микроскопа.
При фокусировке луча лазера на поверхность или внутрь объема образца стекла в месте фокуса наблюдалось характерное разрушение. В ряде случаев было видно, что разрушение носило хрупкий характер, о чем свидетельствуют многочисленные лучи трещин (рис. 9.1). Разрушение сопровождалось образованием каверн, заполненных внутри порошком стекла, частицы которого были настолько мелки, что установить их форму не удалось даже при относительно больших увеличениях (х1000).
Особенности разрушения стекол

Вокруг каверн в поляризованном свете наблюдались области больших напряжений, связанных с образованием полости в упругом материале.
Термическая обработка стекла проводилась в два этапа по режимам, приводящим к появлению коллоидной желтой окраски в местах, подвергнутых действию ультрафиолетового излучения и вызывающим кристаллизацию метасиликата в облученных местах; в необлученных местах не появлялось даже окраски.
Было обнаружено, что в результате такой термообработки внутренние каверны смыкаются, а напряжения снижаются. Смыкание внутренней полости при термообработке оказалось общим явлением для разных типов стекол и связано с действием внутренних напряжений на размягченное стекло.
Поверхностные и близкие к поверхности каверны, а также каверны, соединенные системой трещин с поверхностью образца, не смыкаются и даже не уменьшаются по величине. Это связано, видимо, с тем, что в данном случае напряжения снимаются преимущественно в результате релаксации, как в случае обычного отжига.
Специфичным для светочувствительного стекла результатом лазерного облучения является интенсивное пожелтение в результате первого этапа термообработки при 550°С в месте, где находилась ось каверны. После второго этапа термообработки эго же место (а в случае поверхностной каверны — вся каверна) оказывалось закристаллизованным.
Напоминаем, что облучение красным и инфракрасным светом в обычных условиях вообще не должно было влиять на окраску стекла. Обычная длина оси внутренней каверны при мощности вспышки 10/50 Мвт составляла 4/5 мм, при мощности 150/200 Мвт — 11/13 мм. После термообработки было обнаружено, что за желтой линией на оси бывшей каверны следует продолжающая ее тонкая нить длиной в несколько миллиметров. Нить обрывается на некотором расстоянии от поверхности, но на грани в месте выхода луча появляется желтое пятно диаметром около 2 мм.
Таким образом, из результатов экспериментов следует, что, по-видимому, при действии мощного красного и инфракрасного излучения на стекло в нем возникает ультрафиолетовое излучение. Сравнение внутренних и поверхностных каверн показывают, что при действии луча вдоль поверхности образца желтая нить значительно интенсивнее и распространяется на большее расстояние.
Этот факт является одним из доказательств возникновения ультрафиолетового излучения в стекле.
Действительно, если ультрафиолетовое излучение генерируется только вблизи каверны, то оно должно сильно поглощаться массой стекла в непосредственной близости от генератора. В случае же генерации ультрафиолетовых лучей поверхностной каверной луч, скользящий по поверхности стекла, мог не поглотиться на значительно более длинном участке.
Причиной возникновения ультрафиолетового излучения могут быть многофотонные процессы, вероятность которых сильно повышается при тех напряжениях поля, которые достигаются во время действия луча лазера. Плотность излучения при диаметре фокусного пятна порядка 10в-2 см и мощности 10/200 Мвт лежит в пределах (1,3*10/2,5)*10в12 вт/см2, а величина напряженности поля — в пределах (7*10в6+3,4)*10в7 в/см. Эти величины относятся, однако, лишь к малой фокальной области. В опыте же наблюдается не желтая точка, а нить длиной до 11/13 мм.
Аппроксимация указанной «локально-точечной» особенности па всю нить представляется возможной, если предположить возникновение огромной напряженности электромагнитного поля вдоль всей нити в момент лазерного импульса в результате самофокусировки света. Чтобы попасть в ультрафиолетовую область спектра (энергия квантов ~3,1 эв) в случае рубинового лазера (Е=9,78 эв), достаточен двухфотонный процесс, а для излучения неодимового лазера (Е=1,17 эв) — трехфотонный процесс.
Были проведены дополнительные опыты для выявления других возможных причин возникновения скрытого изображения в стекле. Исследование действия луча лазера на стекла, не содержащие церия, показало, что в этом случае наблюдается выделение серебра, но значительно более слабое, длина нити не превышает длины каверны. Опыты по электропробою стекла с церием и серебром показали наличие слабой желтой окраски в местах пробоя после термообработки. Однако интенсивность окраски во всех этих случаях была во много раз слабее, чем после действия светового импульса на светочувствительное стекло.
Таким образом, анализ действия красного и инфракрасного излучения лазера на стекло, чувствительное к ультрафиолетовому излучению, позволяют получить интересные сведения о механизме разрушения материалов световыми импульсами и об изменении длины волны света при взаимодействии с веществом.