» » Динамика разрушения стекол гигантским импульсом
25.12.2014

При действии луча лазера с модулированной добротностью (10в-8 сек) на стекла можно выделить три типа разрушения.
Поверхностное разрушение при входе луча происходит на небольшую глубину (в несколько микрон) и всегда связано с яркой вспышкой. Порог разрушения низок (от 2*10в8 до 5*10в8 вт/см2). Отметим, что вспышка при входе луча наблюдается даже при облучении в вакууме.
Поверхностное разрушение при выходе луча обычно приводит к возникновению углубления конического сечения глубиной и диаметром в несколько десятых долей миллиметра. Разрушение при выходе луча не всегда сопровождается возникновением искры и имеет порог, вдвое превышающий порог разрушения при входе.
Внутреннее разрушение, подробно описанное в соответствующем разделе, имеет более высокий порог (от 2*10в8 до 5*10в9вг/сж2); представляло интерес исследовать динамику этого типа разрушения для того, чтобы проверить предположения об его возможных механизмах.
В работе луч лазера на рубине с модулированной добротностью фокусировался внутрь стеклянного образца таким образом, чтобы исключить разрушение при входе и выходе луча. Область, в которой должно было пройти разрушение, освещалась с боковой стороны светом газового лазера непрерывного действия с длиной волны 6328 А, интенсивность прошедшего света контролировалась с помощью фотоумножителя и измерительной схемы. Регистрация интенсивности прошедшего света проводилась с помощью осциллографа, причем исследовались участки стекла, соответствующие начальной области разрушения, расположенной до точки фокусировки и конечной области, расположенной после точки фокусировки.
Таким образом, измерение интервала времени от перекрытия луча газового лазера в первой щели до перекрытия во второй давало возможность оценить скорость распространения разрушения стекла лучом лазера. Монохроматор при этом использовался для того, чтобы уменьшить интенсивность вспышки белого света при разрушении.
Для исследованного боросиликатного стекла порог разрушения составлял 5*10в3 вт/см2, или 150 дж/см2. В стекле могли быть частицы платины, частично ответственные за разрушение. Отметим, что увеличение облучаемого объема приводит к уменьшению порога разрушения. Область разрушения, наблюдаемая при плотности энергии, близкой к порогу разрушения, состояла из одного или нескольких малых дисков диаметром от 0,01 до 1 мм. При более высоких энергиях характерные разрушения можно разделить на два вида: а) очень тонкая и прямая нить, более или менее непрерывная, длина которой может достигать 1 см или более при энергии луча 0,1 дж и фокусном расстоянии линзы 10 см; б) тонкие диски неправильной формы, плоскость которых, как правило, содержит нить разрушения.
При дальнейшем увеличении энергии длина нити несколько увеличивается, но количество и размеры дисков возрастают быстрее. Диаметр нити примерно на два порядка меньше диаметра фокального пятна, т. е. образование нити связано с самофокусировкой.
Отметим, что эффект самофокусировки (изменение коэффициента преломления вдоль тонкой нити) наблюдается до начала видимого разрушения.
Осциллографическое исследование не показало последовательность перекрытия луча в двух окнах, а вместо этого — сравнительно пологий подъем кривой интенсивности с резким начальным затуханием за несколько наносекунд до конца светового импульса лазера. После этого затухание возрастало в интервале от 510в-8 до 2510в-8 сек, меньшие значения соответствуют более высоким энергиям луча лазера. Несмотря на то что самомодуля-ция луча газового лазера понижает точность измерений, можно заключить, что если поглощение излучения импульсного лазера в материале началось, то оно остается постоянным не более чем в течение 10в-8 сек.
Таким образом, если разрушение распространяется вдоль направления действия луча, то скорость этого процесса превышает 5*10в7 см/сек, т. е. от первого до второго окна разрушение проходит за время менее 10в-8 сек, что выше скорости движения ударной волны. Рост разрушения в поперечном направлении происходит после окончания светового импульса лазера.
Начальное резкое затухание интенсивности соответствует возникновению нити разрушения, а последующее связано с возникновением дисков, что согласуется с механизмом разрушения за счет самофокусировки и процессов ионизации.
В то же время рассмотренные экспериментальные результаты не подтверждают гипотез о механизмах разрушения, связанных со стимулированным бриллюэновским рассеянием акустических фононов и поглощением света расплавленным стеклом.
Для установления физического механизма разрушения стекол световыми импульсами важное значение имеет выяснение кинетики увеличения и затухания амплитуд прошедшего и рассеянного излучения, а также световой вспышки при разрушении. Эти величины измерялись для случая воздействия на стекло импульса лазера на неодимовом стекле с модулированной добротностью (10в-8 сек).
Получено, что при плотности энергии, лишь немного превышающей порог разрушения, прошедший сквозь образец световой поток имеет тот же наклон переднего фронта, что и первичный световой импульс, падающий на образец, но резко затухает раньше окончания действия первичного импульса лазера. Рассеянный свет с длиной волны 1,06 мкм, соответствующей длине волны падающего излучения, начинает регистрироваться немедленно после резкого затухания импульса прошедшего излучения.
Импульс света, связанного со вспышкой при разрушении стекла (ослаблявшийся с помощью голубого фильтра), достигает максимальной интенсивности немедленно после резкого падения интенсивности прошедшего света и затем затухает сравнительно медленно в течение 200 мсек, что на порядок дольше длительности первичного светового импульса.
Проведены также измерения поглощения первичного излучения лазера плазмой, возникшей при разрушении стекла. Для этого часть первичного луча отводилась с помощью светоделительной схемы и через световоды различной протяженности фокусировалась на облако плазмы у места входа или выхода светового луча при разрушении стекла (толщина образца была менее 0,5 мм).
Для поверхности выхода необходима задержка не менее 15 мксек между первичным импульсом лазера и частью импульса, используемой для просвечивания плазмы. Наблюдается изменение кривой интенсивности света, прошедшего через плазму, аналогичное сужению кривой для света, прошедшего через образец. Аналогичный результат получен без введения линии световой задержки для вспышки на передней поверхности образца.
Таким образом, плазма, возникающая при разрушении стекла, поглощает свет с длиной волны излучения лазера 1,06 мкм и сужение кривой интенсивности прошедшего света связано с поглощением в плазме, а не с рассеянием света в возникшей области разрушения. Плазма, возникшая при разрушении при выходе света из образца, стремится остаться прижатой к поверхности, а плазма, образующаяся на входной поверхности, свободно распространяется по направлению к источнику света.
Экспериментально наблюдается, что при постоянной энергии луча лазера на поверхности выхода луча из образца разрушение происходит сильнее, чем на входной поверхности. Этот эффект связан с тем, что плазма, образовавшаяся на передней части образца, поглощает первичное излучение и ограничивает энергию, идущую на дальнейшее разрушение материала.
С помощью конденсорной линзы и параболического зеркала удалось измерить интенсивность и угловое распределение рассеянного света при разрушении и вспышке на поверхности. Получено, что большая часть рассеянного света заключена в небольшом телесном угле порядка 0,1 стер. Отметим, что аналогичные результаты были получены при измерении распределения энергии при пробое воздуха.
Поток рассеянного света (в процентах) по отношению к падающему потоку излучения составляет 1,5±0,4 для поверхностного разрушения, 3±1 — для внутренного разрушения стекла и 2,9±1,4 — для пробоя воздуха. Эти данные соответствуют измерениям в телесном угле около 1 стер вокруг направления первичного луча при интенсивности луча лазера, несколько превышающей порог разрушения стекла. Таким образом, измерения с помощью одного и того же лазера, одной оптической системы и т. д. подтверждают, что величины для пробоя стекла и воздуха имеют один и тот же порядок.
При измерениях рассеянной энергии при интенсивностях луча, не достигающих порога разрушения, получено, что в области произошедшего ранее поверхностного разрушения рассеивается (7±2)% света и на области внутреннего разрушения рассеивается (10±2)% света. Таким образом, сравнение величин, измеренных во время и после разрушения, подтверждает полученный ранее для полимеров и стекол вывод о том, что основная часть разрушения происходит после окончания действия светового луча лазера.
С помощью интерферометра Маха — Цендера и других методов измерения можно показать наличие изменения коэффициента преломления света перед разрушением стекла световым импульсом, что согласуется с представлением об образовании плазмы, регистрируемой путем измерения интенсивности прошедшего и рассеянного света.
Рассмотренные эксперименты подтверждают важную роль в разрушении прозрачных материалов лучом лазера процесса ионизации за счет многофотонного поглощения, результирующего образования плазмы и нагрева материала.