ЛАЗЕРНАЯ СТОЙКОСТЬ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

LASER RESISTANCE OF OPTICAL MATERIALS

Denis Ageev

Master's Student, Department of Physics, Kostanay Regional University,

Kazakhstan, Kostanay

Vladimir Poezzhalov

scientific adviser, Candidate of Ph. D., Professor of Kostanay Regional University,

Kazakhstan, Kostanay

АННОТАЦИЯ

Срок службы оптических материалов, используемых в лазерной технике, определяется сочетанием вероятности возникновения лазерного повреждения и скорости распространения повреждения во время последующих лазерных воздействий. Рассматриваются, как теоретические, так и экспериментальные исследования возникновения и роста лазерных повреждений оптики, представлены механизмы повреждения оптических материалов, инициируемые лазерным импульсом, приведены некоторые экспериментальные результаты по лазерному повреждению оптических материалов.

ABSTRACT

The service life of optical materials used in laser technology is determined by the combination of the probability of laser damage and the rate of damage propagation during subsequent laser impacts. Both theoretical and experimental studies of the occurrence and growth of laser damage to optics are considered, the mechanisms of damage to optical materials initiated by a laser pulse are presented, and some experimental results on laser damage to optical materials are presented

Ключевые слова: Лазер, оптические материалы, лазерное разрушение материала, лазерная стойкость материала, тепловое поглощение, электронная лавина.

Keywords: Laser, optical materials, laser material destruction, laser material resistance, thermal absorption, electron avalanche.

Когда оптический материал подвергается воздействию лазерного излучения, он может быть поврежден. Если низкоинтенсивное лазерное излучение воздействует на оптически прозрачный материал, то эффект может быть незначительным или совсем отсутствовать. Однако, когда интенсивность лазерного излучения увеличивается, эффекты взаимодействия излучения и материала могут стать хорошо заметными, в частности возникают эффекты повышения температуры, расширение, деформация, искажение, нелинейное поглощение и изменение пропускания. По мере дальнейшего увеличения интенсивности излучения в материалах могут происходить некоторые необратимые изменения, такие как плавление и испарение, размягчение и изменение формы материала, точечная коррозия, растрескивание и разрушение.

Взаимодействие между лазерным излучением и оптическими средами может вызвать необратимые изменения, которые называются лазерным повреждением. Порог лазерно-индуцированного повреждения - это уровень излучения, который вызывает изменения исследуемой оптики. Места повреждений и дефекты на пути луча вызывают потерю передаваемой энергии, рассеивают свет, который разрушает или повреждает конструкционные материалы в непосредственной близости от оптического материала. Это, в свою очередь, может привести к загрязнению оптики и дальнейшему повреждению Наконец, значительный рост повреждений сверх критического размера может вызвать полный отказ оптических компонентов [1-4].

Лазерное повреждение может образовываться в разных местах: в массивном материале, на поверхности образца или внутри оптического покрытия. Морфология лазерно-индуцированного повреждения тесно связана с механизмом повреждения и дает «приблизительное представление» о том, что вызывает повреждение оптического элемента.

Рисунок 1. Виды лазерного повреждения материалов

Механизмы лазерно-индуцированных повреждений

Известно, что существуют два основных механизма, вызывающих лазерное повреждение. Первый - это тепловое поглощение, которое возникает из-за воздействия лазерной энергии на материал. Этот процесс обычно наблюдается при излучении непрерывного лазера или импульсов значительной длительности, а так же и серий импульсов с высокой частотой повторения. Вторая - это электронная лавина, которая возникает, когда плотность электрического поля излучения лазера достаточно высока или энергия передается с высокой интенсивностью, чтобы оторвать электроны от решетки. Они применяются, когда длительность импульса достаточно мала для лавинной ионизации, и когда тепловое поглощение достаточно низкое, чтобы порог лавины был ниже теплового порога. Лазер-индуцированное повреждение может быть вызвано одним механизмом или обоими вышеуказанными механизмами вместе.

Образование и рост лазерно-индуцированных повреждений зависит от трех ключевых факторов:

Параметров лазерного облучения:

• Продолжительность импульса;
• Частота повторения;

Условий окружающей среды:

• Воздух;
• Вакуум;
• Температура;
• Загрязнение;

Свойств материала:

• Дефекты (внутренние и внешние);
• Метод подготовки (полировка, отжиг);
• Форма; [5-8]

Тепловое поглощение

Часть энергии лазера, падающего на материал, поглощается в виде тепла. Взаимодействие во многом зависит от параметров пучка, условий окружающей среды, свойств компонентов и микроструктуры [9].

 Между тем, большинство материалов содержат абсорбирующие примеси, которые могут возникать либо из сырья, либо из производственных процессов. Поглощение состоит из двух частей: собственного поглощения материала и локализованного примесного поглощения в передающей области спектра.

Собственное поглощение материала

В передающей среде лазерное излучение поглощается через материал вдоль прохождения луча. Это вызывает как локальное повышение температуры материала, так и радиальную деформацию между центральной линией цилиндра и краем детали. Распределение и повышение температуры, а также радиальная деформация зависят от многих факторов, таких как диаметр луча, длительность импульса, отражательная способность, размер компонентов, термодиффузия и прочность материала.

Плотность мощности, нанесенная на глубину в материал с коэффициентом отражения лазером с падающей интенсивностью, определяется выражением

 - коэффициент поглощения;

Z – глубина;

R - коэффициентом отражения [10]

Если рассматривать тепловые свойства, не зависящие от температуры, дифференциальное уравнение для теплового потока в полубесконечной глубине материала с границей при равном  

D - коэффициент температуропроводности плиты;

k – теплопроводность;

Если центр луча достигает точки плавления исследуемого материала, можно определить порог повреждения:

T - температура окружающей среды;

C - теплоемкость компонента;

  - коэффициент поглощения компонента;

Аналогичным образом можно определить порог катастрофического растрескивания [ 10 ]

S - повреждающее напряжение,

 - коэффициент объемного расширения.

Локализованное поглощение примесей

Порог определяется как плотность энергии лазерного излучения, когда температура материала матрицы с поглотителями достигает критической температуры из-за локального поглощения, индуцированного лазерным лучом. Одномерная модель термодиффузии, рассматривающая теплопроводность как доминирующий механизм рассеивания энергии от поглотителя, нагретого лазером, была впервые исследована в контексте лазерного повреждения Хоппером и Ульманом. Предположим, что теплопроводность поглотителя намного выше, чем проводимость матрицы и что температура внутри поглотителя однородна. Температуру матрицы, окружающей поглощающую частицу, можно найти из уравнения теплопроводности

с граничными условиями при (радиус частицы) r=a

- коэффициенты поглощения;

  и C - массовая плотность и теплоемкость примесной частицы соответственно;

D и k - коэффициент температуропроводности и теплопроводность матрицы соответственно. [11]

Электронная лавина

В полупроводниках и изоляторах генерация свободных носителей в зоне проводимости является наиболее заметным эффектом, индуцированным лазерным излучением. В условиях воздействия мощных лазерных импульсов концентрация носителей может достигать 10 ¹⁷ –10 ¹⁸  см ^–3, что называется плазмой.

На больших длинах волн и для материалов с узкой запрещенной зоной (например, полупроводников) тепловое возбуждение является доминирующим механизмом генерации носителей.

Носители также создаются ионизацией через запрещенную зону. Если энергия фотонов лазера больше, чем ширина запрещенной зоны материала, носители очень эффективно генерируются посредством однофотонного межзонного перехода.

Прозрачные среды - это материалы с очень большой шириной запрещенной зоны, в которых энергия фотонов обычно меньше ширины запрещенной зоны. Поэтому термическая ионизация происходит редко, если только температура не очень высока. Существующими механизмами генерации свободных носителей в прозрачных материалах являются многофотонные межзонные переходы и ударная ионизация [12]

Многофотонные межзонные переходы.

При многофотонных межзонных переходах n-фотоны поглощаются одновременно, и их полная энергия превышает ширину запрещенной зоны. Обобщенная скорость перехода для -фотонного процесса записывается как

 - сечение фотонного процесса;

 - плотность населения основного состояния,

 - локальная освещенность.

Следовательно, многофотонная ионизация является подходящим механизмом генерации носителей только для небольшого или очень интенсивного (т.е. субпикосекундного) излучения [12]

Ударная ионизация

Ударная ионизация происходит, когда свободный носитель ускоряется электромагнитным полем при энергии, превышающей ширину запрещенной зоны. Если свободный носитель сталкивается с атомом решетки, носитель энергии замедляется, в то время как другой электрон в зоне проводимости возбуждается, и начинается электронная лавина. Уравнение, определяющее скорость генерации свободных носителей, показывает, что концентрация электронов экспоненциально растет со временем

 - кинетическая энергия носителя энергии;

  - ширина запрещенной зоны. [12]

Традиционная ударная ионизация утверждает, что если кинетическая энергия электрона зоны проводимости больше, чем порог ударной ионизации. Можно выбить электрон валентной зоны из своей зоны и продвинуть его в зону проводимости. Похоже, что традиционная ударная ионизация может происходить только в том случае, если кинетическая энергия больше порога твердого тела, а лавинный коэффициент ударной ионизации является постоянным по отношению к интенсивности лазера. Однако недавние детальные эксперименты показывают, что холодная лавинная ионизация и коэффициент лавины изменяется с интенсивностью лазера.

При интенсивном лазерном облучении традиционная ударная ионизация сменяется ударной ионизацией с помощью фотонов. Теоретические и экспериментальные исследования в этой проблеме нуждаются в дальнейшем развитии.

Механизмы взаимодействия лазера с материалом зависят от длительности импульса. Взаимосвязи между длительностью импульса мощного лазера и LID компонентов суммированы. В настоящее время невозможно предотвратить повреждение оптических компонентов в лазерных системах с большой интенсивностью. Даже изначально идеальная оптика может быть повреждена из-за неправильного обращения или загрязнения во время работы. Недавно разработанные методы обработки поверхности лазером, удаления загрязнений и уменьшения повреждений, такие как влажное химическое травление, травление холодной плазмой, обработка CO ₂ -лазером и обработка с помощью микропламенного факела [6], позволяют значительно продлить срок службы оптических компонентов в мощные лазерные системы. Дальнейшие проблемы, связанные с постоянно увеличивающейся плотностью лазерной мощности, могут быть решены только путем лучшего понимания механизмов повреждения поверхности. Решающее значение имеет прогресс в детальном теоретическом моделировании внешних и внутренних повреждений. Кроме того, следует разработать расчет мультифизической связи, особенно между дефектами или модифицированными материалами и модуляцией лазера.

Список литературы:

1. Окатов М.А. Справочник технолога-оптика. перераб. - 2-е изд и доп. - СПб: Политехника, 2004. - 679 с.
2. Колодный Г. Я., Левчук Е. А., Подрядин Ю. Д., Яковлев П. П. Многослойные интерференционные покрытия в квантовой электронике // Электронная промышленность. 1981. № 5—6. C. 93—101.
3. МаненковА. А., Прохоров А. М. Лазерное разрушение прозрачных тел // Успехи физ. наук. 1986. Т. 148, вып. 1. С. 5—38.
4. Покотило И. Л. Развитие теории лазерного разрушения прозрачных оптических материалов: Зависимость порога разрушения от длительности импульса и закономерности разрушения покрытий: Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. Долгопрудный, 1998.
5. Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов. М.: Мир, 1986. 504 с.
6. Гагарский C. В., Приходько К. В. Мощный наносекундный эрбиевый лазер с диодной накачкой // Тез. докл. XXXVI науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО(ТУ). СПб, 2007.
7. Тогатов В. В., Гагарский С. B., Гнатюк П. А., Черевко Ю. И.Импульсный блок питания лазерных диодных модулей для накачки твердотельных лазеров // Приборы и техника эксперимента. 2007. № 2. C. 158—159.
8. ГагарскийС. В., ЕрмолаевВ. С., ИночкинМ. В., СергеевА. Н., ШимберевБ. В. Лазерные оптические элементы: лучевая прочность, обработка поверхности // Тез. докл. XXXVII науч. иучеб.-метод. конф. СПбГУИТМО. СПб, 2008.
9. Дж. Риди, Эффекты мощного лазерного излучения , Эльзевир, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США, 2012.
10. Хоппер Р. и Ульманн Д. Р., "Механизм повреждения включениями в лазерном стекле", Журнал прикладной физики , вып. 4, 1970. - 4023–4037 с.
11. Фук М. и МакИвер Дж., «Влияние теплопроводности и изменения показателя преломления на модель лазерно-индуцированного повреждения», Труды Международного общества оптической инженерии SPIE , 1990. - 576–583 с.
12. Папернов С. и. Шмид А. В, «Лазерное повреждение поверхности оптических материалов: источники поглощения, инициирование, рост и смягчение», в материалах 40-го ежегодного симпозиума лазерное повреждение оптических материалов, 2008. – 23 с.