Исследование оптического пробоя на поглощающем микровключении в объеме щелочно-галоидных кристаллов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

На правах рукописи

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ПРОБОЯ НА ПОГЛОЩАЮЩЕМ МИКРОВКЛЮЧЕНИИ В ОБЪЕМЕ ЩЕЛОЧНО-ГАЛОИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ

Специальность 01.04.07 — физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 1995

Работа выполнена в Институте физики твердого тела РАН.

Научный руководитель: академик РАН, профессор 10. А. Осипьян

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук С. 3. Шмурак, кандидат физико-математических наук В. И. Ковалев

Ведущее предприятие: Институт общей физики РАН

Защита состоится « ^ ^ > , 199 г. в час.

па заседании специализированного Ученого совета Д 003.12.01

при Институте физики твердого тела РАН, Черноголовка, Московской области, ИФТТ РАН.

С диссертацией 'можно ознакомиться в библиотеке Института физики твердого тела РАН.

Автореферат разослан ^^ * О £ КО ¿УХУ_1995 года.

Ученый секретарь специализированного совета доктор

физико-математических паук

" Д. Кулаковскин

© Институт физики твердого тела РАН

Сбщэк характеристика работы

Актуальность темы. Изобретение оптического .«валового геме» раторо и быстрый прогресс лазерной техники а начале семидесятых годов позволили достичь уровня интенсивности оптического излучения, приводящего к разрушению прозрачных матеоиплсв. В результате развития "лазерного пробой" происходит похальноз повышение температуры, плавление и испарение материала, образуется плазма, созд&хггса-высокие давления, наблюдаются большие скорости деформации и разрушения. То есть материал находится я необычных. экстремальных условиях, и потому изучение закономерностей его взаимодействия с интенсивным лазерным излучением представляет значительный интерес с точки зрения как физики твердого тела, нелинейной оптики, так и целого ряда других разделов науки.

С другой стороног, существует тесно связанная с фундамент тальными исследованиями проблема оптической прочности материалов - их способности без разрушения выдерживать действие мощного лазерного излучения. В связи с ней появился цолый ряд новых задач материзповедчесхсго плана: очистка сырья и выращивание кристаллов больших размеров, изготовление и контроль качества оптических алементоз для мощных лазерных систем И.Т.Д. Их рршениз невозможно Оез досконального исследовании воздействия мощного лазерного излечения на шеокопрозрачные материалы.

Известно, что оптические повреждение it объеме кристаллов* промышленной чистоты происходит чаще всего на пеглощаюздм микроиеодкородиост£* ШН}, например, мяюэовкяюченияу. Природа ПН. как прзеилс.. не известна,. 3 пооцоосы,' происходящие при действии на них лазерного импульса, слабо' .изучены экспоримэнтапьно. Это в значительной мфе объясняется сложностью исследования быстропротекатощих однократных плохо воспроизводимых явлений, происходящих з малом объеме. Существенно также, что при пробое на ПН область будущего повреждения, кэк правило, заранее определить на удавалось.

Очевидно, что объект исследований э такой ситуации, целесообразно выбирать возможно более простым. С зтой точки зрения значительные преимущества имеют шопс'ч но-п>ло«дныa хрисчаяш (ЩГК), которые являются молол ы?ыи маториапом для многих рпздопов физика твердого, тела. Их оптические, злекфмчег.х^э. механические, тепловые свойства довольно глубоко изучены.

Актуальность решения проблем, связанных о повреждением ЩГК под действием импульса излучения СОу-лазера, усиливается тем, то СС»2-/1аз5ры - одни из наиболав широко применяемых. Они имеют самый высокий коэффициент полезного действия. Это самые мощный непрерывные и о.пни из самых мощных импульсных ОКГ. Для изготовления о.пики СОг-лззеров широко используются ЩГК.

Цель, и меюдика работы. Целью настоящей работы было исследование динамики процессов пробоя под импульсом COj-лазера на отдельном микронкпючении в объеме ЩГК с помощью развитой ранее а ИФТТ РАН методики точного определения места будущего пробоя. Планировалось научить:

-.кинетику вспышки сиечения при пробое и пространственное распределение интенсивности ее излучения,

- спектр не пышки и спектральную киногику,

- кинетику рассеяния евпта на очаге пробоя (ОП),

- яаолюцию очагэ пробоя во времени,

- кинн»'ику развита в кристалле механических напряжений нехпуг очага лребоя.

• LiСь'ЬLÍ3ílC r¿"J:L<У. í-i ÜPV .к Впариыо получены:

1. Изображения зечмикающей при пробое полости в различные моменты времени, позволяющие получить r/fK-WJfnp't'Hfrfíí о кинетика ва развития, фотографии аппышки '.печени« на седсльном очаге пробор.

2. Мгновенные распределения полей напряжений вокруг ло-е 4'irt]tv¡':¡,io г/омемгы ярямпми и экспериментально под-

".'.'рхл.пн.э дьч-^м^а разпития напряжений, продпоженння ранео.

1 ^'импгиия > «счг'нип при разных нзправгонияк наблюдения и , ^нг-ч'.'нир небольшого учясгка полости

4. Кинчтмкэ рзссряния и пгояжнния сиотл на изолиропанчом 'iч.те npoó-'i«.

5 С.мр<гры тгиснил отдельны.* оч.топ пр^боп по псом «чугимпм диапазоне л {кпличлыо homhhm-i прй'^они относи голы to см'мпа про':оя ял<* оп лч,1х ОП.

G. Г!;)('ДП! v'v^m;» д«^ч»льнг>а кнргииа распития разпмчны». пр'ч ;(¡f,ron при i (?'!^of¡.

(^рзктичй^к.н. циту''1!' paf "'I.I M t (¡"iPWiiHii pt'?,/4iir;tTOii на сíOaiH'v'i («.■■щзпм» г.нюгшк i тпм>'.я«TI4 <4),)(M-.;4iH,»' имюр

niJ.I'O'H'P (»• .yitlT.-J " 1С Г;,ц» f tff« ,'>»,. V II Mtfi'TIV'"' > I11' It-' < ll'l/irrillllll'

свечения при пробое. Получена информация, ееси/э существенная для разработка теоретических моделей процесса пробоя нг. ПИ.

Осиозкыэ положения. 5ынос!омнв на защиту.

1. Получены изображения полоти о различные момента ( времени. Установлено мю попость в первые ЮОмкс не является сферой, а насколько вытянута вдоль луча СО2-лазера и имеет сглаженную кристаллографическую огранку.

2. Получены фотографии пг.пышхи свечения нэ отсильном очэго пробои. Установлено. что а первые несколько микросекунд чомперэтурэ в полости распределена резко неоднородно; причем максимальна нэ участке, обращенном извотрочу лучу COj-лазера.

3. Получены мгновенные распределения полей напряжений вокруг полости в различные моменты воемени.

4. Вследствие релаксгции распределения температуры r полости спадание во времени интенсивности свечения может носить немонотонный характер. Лишь на участке полости, обращенном навстречу лучу СС>2-лазера, спад свечения монотонный и хорошо описывается как совокупность двух с.кспоиент.

5. Исследованы кинетика рассеяния и отражения света на изолированном очаге пробоя. Обнаружено, что нарастание отражения через 10-20мкс после начала пробоя сопровождается серией хаотических выбросов. Эти выбросы являются следствием локальных флуктуации параметров полости вблизи оо поверхности.

6. Получены спектры свечения отдельных г.чзгеп пробоя ло всем видимом диапазоне. Спеюры измерены п.различные моменгм времени для разных очагов. Они имеют преимушостченнс твтопей характер. В то жо гремя получонь: спиде" с льел вз но-гппгссго свечения в области 400-500 ни в первые чикросокунды пес-1" начала пробоя.

7. Полость ао время своего свечения заметно оглотает слабо отражает спет видимого диапазона: ее коэффициент пго-пускания но болеп 1%, а коэффициент отражения - но чышо 10%.

Публикация и апробаиия заботы. Основное ' содержание работы ,о(ражРио в 4 статьях [1-41. Результаты птспедепных . исследований докладывались на семинарах и Ученом совете в ИФТТ РАН и были представлены на осеннем симпозиуме Американского материалопедчоского общества (MRP) !994г..

Структура .и.объом_д^ссерт^ииил Диссертаций состоят мз введет«-?. пяти глап и списка цитированной литературы. содержит

наименований. Полный объем составит '^^страниц. в том числе Л£_ машинописного текста и рисуцкое. Краткое содержание работы,

бо 85ШШШ обосновываете»! выбор темы диссертации, ее актуальность и новизна:

В глава ? (литературный обзор) приводится обзор основных теоретических и экспериментальных работ по изучению пробоя иа RH й объеме прозрачных диэлектриков под импульсом лазерного излучения. Основное внимание уделено пробою щолочно-галоидных кристаллов прд действием ик'.пуяьса СОг-лазера.

Описываются даа режима пробоя: "однократный", когда последующую обучения с той же мощностью не дают никакого зффек-. та, и "мягкий", при гораздо меньших лазерных интенсивностях, ког-. да вспышка воспроизводится при повторных облучениях. Последующее воздействие на очаг кягкбго пробоя импульсом более высокой мощности приводит к обычному, однократному пробою. Таким образом, существование мягкого режима позволяет заранее определять мосто будушего пробоя. Однако сообщений об экспериментах, основанных на такой методике, практически на бьто. ;

' . • Обсуждаются проводившиеся ранее исследования спектра стечения при пробое и кинетику! рассеяния зондирующёго' излучения на очаге пробоя. Полученные зависимости носили. статистический характер, то есть каждая точка на графике была получена с помощью усреднений результатов измерений по многим' лазерном импульсам и, ооответг.тявнно, по разным ОП. Кроме того, каздмй импульс СОг-лазера порождал несколько ОП.

Спектральные данные несколько противоречивы. Наблюдались как линпйчатые, так и непрерывные спектры.

Диспокационнзй структура, возникающая в результате лазерное а г.озрохдвния, была неплохо исследовав. Однако все эхепери-меитзльные свидетельства получоны лишь из изучонил окончательной кагтены разрушения. какио-либо зкеперимонтальныо данные о •дислокационной* структуре на промежуточных стадиях пробоя, так лй как 'и о фокме полости, отсутствовали.

Приседа ПН до настоящего времени остается неясной.' £4моотея . иишн некоторые более или менее обосносанныэ предположения. • ' • •

Зопппs.; о ччоуможных механистах пробои не; б¡»w, окончательно . С:-".!. :-<СК. Укжьс-'югся ОХНОйНЫе прпбпимы,- ЪЭУг&ГМГ.Ок'Ыа 1> • /T.:rr,p;vyp'.r : ...

1. Поглощается ли лазерное) излучение в основном на самой ПН или в начальный момент пробоя возникает йщо и существенное дополнительное поглощение в окружающем вещество? Если дополнительное поглощение ¡юг,пикает, то какоаа его природа? г

2. Какова причина свечения при пробое? f3 частности, имеет , ли это свечение тепловую природу?

3. Каков механизм образования полости?

Boo совокупность предложенных механизмов можно разделить на две группы. К порвой группе относятся механизмы, но предполагающие дополнительного поглощения в окружающем вещество, ко второй -. предполагающие таковое. Природа такого поглощения остается неясной. В качество возможных прмчин , указывались сильная нелинейная зависимость поглощения в прозрачной матрице от температуры, ультрафиолетовая продионилзция матрицы излучением сильно разогретой ПН, нг пнп давления, разрушение прилегающих к ПН слова.

В главе 2 дается описание экспериментальных методик. Основой для большинства экспериментов являлась методика, позгюпчю-щая одновременно воздействовать на прозрачный материал импульсом СО?-лазера и наблюдать за областью облучения в микрооком в. рассеянном своге (ультрамикроскопия). В качество источника импульсного излучения использовапся TEA С02-лазер с длительностью импульса по уровню 0.5 амплитуды - 100нс (рис.А) и максимальной пиковой мощностью до 1МВт. Излучение фокусировалось в пятно диаметром порядка 100-150мкм. Навстречу С02-пазеру направлялся зондирующий луч He-Ne или Аг4-лазера, который также фс-куси-" ровался в объем образца на предметном столике микроскола. Лучи СО?-лазера и видимого лазера совмещались так, чтобы пробой происходил на центрах рассеяния в поле зрения микроскопа. Для исследования, как правило, подбирались такие образцы выращенных из расплава монокристаллов NaCI, КС!, КВг промышленной "истоты. п которых устойчиво наблюдался "мягкий" режим пробоя.

Работа происходила следующим образом. При помощи наборэ ослабителей методом проб и ошибок подбиралось дта уровня мощности СОр-пазепа- Wt, при котором на некоторых рассеивавших центрах осуществляйся мжкий режим пробоя, регистрируемый п микроскоп по изменению уровня рассеяния, и более высокий ■ Wj, при кгиооом пробой происходит необратимым образом. Выбранный р.зссеит'ощим ценю, из котором осуществлялся мягкий реже1?.»

пробоя, выводился в центр поля зрения микроскопа. С помощью полпижного зеркала оввч. пыходящий из микроскопа, переключался иг» регистрирующую иистаму, разную длл разных типов измерений: Злом устанавливалась мощность VVb, и проводилось измеоенио, Диафрагма, находящаяся в плоскости изображения объектива мисроскопа, ограничивала поло арония таким образом, чтобы в него не попали соседние и.ошры пробоя.

При фотографировании вспышки, получении теневых фотографий области пробоя, а таю/в для изучения кинотики развития полей напряжений в качестве рогистрирующой системы использовалась оидэокамбра. В двух последних типах оксперимвитов .для спадания импульса подсветки использовалась Флуоресценция красителя Cournñrin 102 в диапазоне длин нол.ч 485 Ч15нм с длительностью 15нс лсд действием импульса зкоимермого лазера на ХсС!, синхронизооанного с импульсом С02-газор.з. 7акая подовотка прадставляог собой достаточно момохроматичный для iiS'jjnx цпл°и, но некогорентный источник ссюта. Поэтому изображение ио искажается интерференцией. Излучении вспышки подавлялось с помощью интерференционного соетофияьтра п<зред каморой. Дчп poi ист рации. полой напряжений а микроскоп вводились •скрощшшыз попяоизатооы. Поело пробоя долалась фотография окончательной картины разрушения.

Кинетика свечения, рассоякия и отражения регистрировалась с помощью ФЭУ-79.

Для иолучомия спектроч с высоким разрешением исиоЛьмтллоя рошаточнай спектрограф со' светосилой 1:3 и дисперсией л.8нм/мм. Спектры попытки сразу по всем видимом диапазона измерялись с помощью специально изготоплонного для целой длиной работы поизмонного спектрографа низкого разрешении с относительным оглорстиям t;3 и дисперсией от 2в оииой - до 110чм/мм о красной области. На выходо спо*1иографоя устанал.оиаалось камера оптического многоканального анализатора с возможностью отирания- и запинания и аа'данныо момпты времени. В ризупьтатя, с решгточщ-м прибором можно было за один раз снимать споктр в дианазонп ОПнм с аялрг.и'чнипм до О.бнм и соогиощдмиом питнг.ш/'щу»/! o*nriu 10. С "ризм»чным - иярекрыпалоя диапазон от 100 ДО 9f><)HW при СПИГтраЛЫ'ОМ РЧЗ|Ю!1|ННИИ ог 5им з синсй до Тим а *гт'.;-оГ' о^нлочи. п нлилучьчоа епнинрмил сигчпл. шум

составляло ¡00 дня ,\~S40hm и снижалось из порядок дня 430нм и . 800нм. Определение спектральной чувствительности осуществлялось с помощью ламп СИ-8 или СИРШ-40 с известной температурой вольфрамовой печты накала.

Для исследования степени прозрачности очага пробоя через область вспышки свечения вдоль оптической оси микроскопа пропускался зондирующий импульс лазера на красителе Coumarin 102 (а.----480нм, длительность импульса ^15нс).

В главе_3 приведены экспериментальные результаты.

Типичное разрушение, остающееся' nocie пробоя, пределпг-чпо собой полость диаметром от 10 до ЮОмкм, окруженную характерным кольцом микротрещин. Иногда образовывались обширные макротрещины по плоскостям спайности. Никакого свечения в трещинах никогда но было видно. Со всех гжепориментах вид разрушения контролировался в микроскоп.

На любом этапе своего развития до появления кольца микротрещин проекция полости на плоскость <100> представляет из себя нечто среднее между кругом и кзадратсм с диагональю «ЛОХ Зачастую она похожа на спал, слегка вытянутый вдоль направления пучка COg-лазера. Проекция полости на плоскость типа < 1 <0> близка к ромбу с длинной диагональю вдоль лазерного луча и сильно скругленными углами. По сравнению с полостью форма центральных контуроп вспышки может быть значительно более причудливой. В частности, она может быть невыпуклой или вооби.е состоять из несхольчт пятен. Это, видимо, следствие нэоднорг/днс-сти лазерного поля, возмущаемою полостью. Как правило, »ытянутсеть вдоль лазерного луче; у вспышки выражона сильнее,'"ем у полости. Внешняя граница свечения гораздо плавнее и бпиже te округлой форме Остающейся полости, нежели контур наиболее яркой области внутри. Размер светящейся зоны, как правило, црсюлью больше размера остающейся попоет; приблизительно на 10-204. При очень больших размерах светящейся об пасти - порядка 100м*м - видна экранирэчха лазерного излучения.

Полость быстрее всего растет, пока дг*нсгпуят газг-риоп изпу-чение. Среднестатистическая зависимость' ее pa.tf.ropg (по отнтхе-нию-к окончательному размеру) от времени ««обрэжена на.р/c.F. Максимальную скорость движения ее границы можно оценить снизу как 2»10см/с. Вначале рокруг полости никаких трещин нот. Характерное "кольцо", сформированное из микротрещин по тонкостям

спайности {100}, появляется значительно позже, через 50-100мко. Если образуется протяженные макоотрешины. то это происходит на самых ранних стадиях, к первые 100нс. В ряде случаев удалось зафиксировать эти трещины в процессе движения. Нижняя. оценка их скорости - 4«Юсм/е. Иногда возможно образование трещин другого рода, окаймляющих полость в виде "гипербол" с лучами вдоль направлений типа <110>, Такие- трещины тоже образуются на атдиг! наиболее быстрого роста полости.

Результаты изучения структуры напряжений и поляризованном свете показывают, что ужо через 1мкс после начала лазерного импульса наблюдается яркий крест с лучами вдоль <П0> шириной до ЮОмхм и длиной 200-250мкм. Затем размеры креста растут, и яркость его соотвэтственно снижается. Область напряжений обратного знака вблизи полости появляется примерно через 50мко после начала пробоя. Это подтверждает картину развития дислокационной структуры, предложенную о работе А.\ЛСо;Ь»поу, Я.М.Нэйдогпуь Б.М.УаГкоувк» phys.5tat.sol. 6Ва. 53, 1931. за тем исключением, что характерное время окончательной релаксации напряжений ни ЮОм^с, а 5мг:.

• Установлено, что кинетика свечения существенно зависит от направления наблюдения. Ее спад имеет простой воспроизводимый вид, соответствующий монотонному остыванию, только со стороны, обрзщпнной навстречу лазерному лучу. При этом гкнарифмиаова-иие сигнала показывает, что его спад предегашшот собой доз участка. хорошо описывающихся экспонентами ехм{-Рт) с различными ьрек^нами затухания Г( и т_>. Время и в первом прибли-

жении не .зависит пт размера полости, а время тг примерно пропорционально квадрату размера окончательной полости. Длительность первого участка - порядка 2мкс, второго - несколько десятков мко В оогштг.ных частях образующейся полости с плотным паром возможен нагрев за счет выравнивания температур!,I. П самом на-ча»Н' вспьмцки, к перрыо 100нс, часто наблюдается узкий максимум или плато шириной не более ГЮнс. Сравнение кинетики г.почения всего отата пробоя и его малого участка показало, что эта особенность связана со снижением температур!,1 у поверхности полости из епчд.е пчзерното импульса при продолжающемся росте ее размера.

Изуччще кыжлик«'отражени;1 зоп/трующою лазерной» луча обнаружило, ч") р гпчпчиг; р.'Ч1Ь'1Нки коэффициент пгплуения света »1\.ич*-ч п 1.-1 <у1 пчци гц>"!'"-14 пп и|>"пы;(;.и'т 0 1 Пп п*/ш

чании вспышки о сигнале отражений и преломления света на полости наблюдается серил выбросов (рис.С). Сопоставление кинетики отражения от разных участков полости и при различных .длинах аолн зондирующего света свидетельствует о том. что эти выбросы являются следствием локальных флуктуации парэметроч полости вблизи ее поверхности.

На спектрах еспышсж, снятых с высоким разрешением, никаких линий, но было обнаружено. Во всяком случае, их доля n обще-п интенсивности не превышает 10С-Ь. Спектры отдельных псгуше.< е любой момент времени почти псегла продсгдплгют coiVn* сппои» ну ¡о гладкую кривую. Лишь иногда они имеют oco^et-wcn и випп максимуме/минимума амплитудой пооядча 10%. от глубин!!' ««»чгипу ума и шириной порядка Юнм, вероятно обусг.опленны" само • обращением линий. Спектоы зачастую ло кптся на иплучения черного тега. Соответствующие f.'vnepar.t-M нру ют со от 2»iO^K до НУ'К, и, как прэзнло. более еы'.-о/а? twtp'ie т\р" соотййюгяует более раннему моменту ».печения. Тем я» об-

нярухиеаотсп. что дпп любого кристалла дах» при не o-ir-:» г> т. шпй статистике измерений региооируотся л спектры, ""¡-о >>е гот. >ч'а»!»иссо мп ппачкопскую зависимое* ь. Обь чип г,ци ¡^••♦""иппут ч ир'т.мржутку времени в течение пграых 5-Г»м«с о» «к»>миз "чч-г-ргте импульса, п го премя как белео поэцне»? сп -чопие, r.n пряли пи, yd рошо ею олисыпаетср. Dim«» ичмереннгчо с»fтез.ч о» мгч"'«»пг» черного тола всегда можно и»iгернрот иопвегь тк ••prn-.f-o»» n't подъем в гиней облает, зачастую слишком крутой, чт^ы бит», описанным ппанковской кривой с любой. сколь угоцни темгшрат урон. К.чких-гибо достоверных различии я cnwpa < R оапи-cnwoctn от тина 1ЦГК (NaOl ими КП) данные ичмерочип пьктип, не ппчпеляки: реикприруемые спокгру л горзчяо больней степрли могут изменяться при переходе к обрлщу того же тиля «.рнгтплла, не из другого источника или из другой части крисгалличготсй бунт,

Ичмерр»ил показали, что зондирующий импульс газрра нп крлеитпло начинает проходить череп эпицентр разрушения лишь «ида. кода спечриие. гпчзэимор с оптическим пробоем, ужп закончилось. Во гремя же чспышки вещество непрозрачно: коэффициент пропускания никак не яьлпе 1%.

Глава. 4 прс.вдщпна обсуждению полученных рглультатоа. П[«-<кдо псего, г;прд\от отметить полное отсутствие при чнлгоп три-б.ччю'/инепючкии. Миигагрещинм, оклймпчк'ците поп:ють. Образу

Р-

югся уже после окончания свечения. Что же касается макротрещин, m они образуются не всегда, раскрываются за время, много меньшей дли^аиьносш вспышки, призодят г, ее скорому затуханию, и никакою свечения в них не наблюдается. Спектр мало похож на спохф триболюминесценции. Он неплохо согласуется с предположением о, в основном, топпосом характере свечения. В частности, получаемая из спектра температура имеет явную тенденцию к спаду со срзменем. Полость всегда имеет похожую геометрическую форму, лишь в разной степени выткнутую и схоу г лонную. Такая форма явно не может быть результатом тру ценообразования. Вещество, заполняющее полость, непрозрачно в видимом диапазоне и заметно поглощает на Ю.бмкм.'Вышеизложенные соображения заставляют заключить, что полос tb образуется под давлением находящегося внутри нее пара с температурой 7, достигающей 104К. Очень существенно и то, 470 эго позволяет естественным образом объяснить подавляющее большинство имеющихся экспериментальных данных.

Так как после пробоя остается полость, по размеру сравнимая с полостью во время пробоя, основную роль о ее формировании играет пласгичесхая деформация Поэтому во время образования полости давление пара Р на ее границе должно превышать динамический предел текучести 1кбар. Воспользовавшись формулой Р=о7 при Т-Ю^К, получим п>10г1см_3. Тот факт, что максимальным размер попости отличается от ее окончательного размера в среднем на 20%, позволяет дать оценку сверху r>< !0?'V.w-3. Мсходя из п-Ю'^г.м 3, нетрудно оценить максимальную долю \ з>омов включения в паро. Приняз максимальную плотность включения iOr/см. его максимальный размер 0.5мкм, плотность 1ДГК 2гД-.м или гМ0'-гсм'3, получим для полости диаметром й~»0мш и v*0.01% при d=50MKM. При T=104K степень ионизации пара а полости составит не более 5%, но все молекулы ЩГК будут д: »ccotc»Mfjt»3.inw - при давлении 'порядка 1кбзр рекомбинация Нч^С1-><\'аС1 должна происходить при температурах Ю^-бИО3^

Граница по'!г>сти формируется вследствие испйрения/конден-са< 1 vi'.i vi пластической деформации. Угловатая форма полости является следствием пластической деформации, сак как в данном случав скорость испарения следует температурному профипю и потому испарение сглаживает утлы. Вытр ну гость же полости вдоль лазерного п^'э «3 дэспткн процентов мокет являться следствием но

-И)-

однородности испарения, давления пара в полости или давления отдачи при испарении в полость. Прекращение роста полости чеооз Юмкс поало начала пробоя естественно свдзэть с переводом от испарения к конденсации. Пои атом температура на пепер/.кО'Ли будет 3500К - температура насыщенного пара 1ДГК при дазпеним порядка 1кбар. Это близко к критической точка, когда становится возможной конденсация пара в рзсплаз. Кристалл, в сбою очеродь, плавится. Перетекание расплава по границе полости приводи* к тому, что полость станоиится сферической или, ч случао очень больших полостей, которые сильное вытянуты - оральной,

Неоднородность распределения темперагу'оы и полости неизбежно приводит к отклонению даже "мгновенного" экспериментального спектра от планковской кривой для любого направления наблюдения. Причем откпонетш будат, скорее всего, закисать от направления. Тем но менао, пояучечн-лв спектры рсо рагне заставляют усомниться а иекчючительне тепловом хасаитеро спечения, поскольку часть из них п обпзсти 400 • ВРОнм создает сияьнео лобой планкотгсхой кривой. Возможное объяснено связано с предположением о неравновесном спечеиии относительно холодных опоеа вещества, прилегающих к полости.'

Если предположить, что тепло из полости траштсч а исполком на магрео кристалла, то сспыижа дел«» ] затухать значительно медленней. Ваооятно, тепло идет в основном на плзплимио или испарение. Зклзд излучения з теплоперенсс, особенно на ранних стади«, тоже к^оясет быть существенным. В процессе остывания полозти 'можно выделить дво стадии: сначала быструю, а зятем модленн/ю. Нсзаписимооть характерного г.ром?ни затухания на первой стадии от размена полости, (видимо, означает, что ь течение первых 2Мкс остывает лишь достаточно тонкий припсЕСрхнос.тнкй сдой пара. Во ппемя лазерного импульса у границы попсстя допжпч сущеотговзгь сильный градиент температуры, так ¡-як границ а погости движется быстрое, "ом топ по. Послг» окончания импульса устэняппнвэетгл болео плагшкй температурный профиль.

Скорость охлаждения опо^пклчпгсч тпплонерепогом п полости, и смена испардчия конденсацией, происходящая через Ю'.'кс, то есть много позже. не может спужть причиной смены схорости сстыкании. Даже через 10мч.с спектральный измерения част, цатл более пысокукт температуру, чем примерно сос.тпстс^утацио нп'-'л

л у конденсации 3500К. Видимо, на глубине проникновения света температура рыит, чем у поверхности.

Когда начинает образоаываться расплав, его обьем должен монотонно расти. Оценки показывают, что максимальная толщина слоя расплава составляет от 2 до 7% радиуса окончательной полости. В сипу своей малой толщины слой расплава не был виден на те:юв!.;х фотографиях полости, а процесс застывания не сопровождался существенным увеличением полости (см.рис.F), несмотря на го, чго а ЩГК скачок плотности при плавлении составляет около 20%.

Заькдный эффект экранировки лазерного излучения позволяя; оценить снизу коэффициент поглощения пора на Ш.бмкм величиной ИО^см"'. Оценка поглощения только на свободных электронах приводит к характерной глубине проникновения в несколько микрон. Можно предположить, что дополнительное поглощение в исходно прозрачном материале связано именно с появлением горячего плотного пара. Интересно, что максимальный размер разрушения в "мягком" режиме - режиме в котором, вероятно, процесс не носит взрывного характера - составляет как раз несколько мкм.

Некоторые вопросы, поставленные в работе, пока остаются без oiaeia: "В чем причина возникновения выбросов в отражении и преломлении света на очаге пробоя ?" и "Лолость какой именно фопмы. образуется вследствие пластической деформации, если пренебречь ее счруглением ?"

В конце главы Л кратко описана картина пробоя в целом в хрочипспуцк-ком порядке (см.рис.). Некоторые ее детали* рредгл?.вп<ло1сл вполне установленными, другие известны с той или иной отчлонью достоверности.

!. Погло'и.тоии3" в<пючение нагревается до нескольких 1ысяч груц\ю«*. что привели! к росту поглощающей области. В первые r.ov пзнссокучл процесс может носит взрыпной характер. Обр-.зуртсч "легиччо :<очиэора1!ный плотный пар. сос-" -л;ций, в из тонга ■■црлочнп'у металла и гэяаге"з Лчэленио т'сог;л:игт л>-.' ?'Jt4(;>т> предел те<учести. и в окружающем <rr.t-t.ttí? ?01".г;':тги'-! пгпсычеекой деформации начинается т п'-ч'зотгх-'тчой полости. Полось быстра становится

»«"'i-ox^'-ptoM 1П бь-м V в видимом диапазоне

2 1 гл-'v: п'-п^-ли оаг*ет со cropccibio. прибп;пч'рл»-мс про-П„:'~_;И:■!<<->.л.--тс,.еч.>^-<гп' СО -rg-zerja VV{ti В ^П'а'ТС1.' рчча

давление меняется, слабо, а температура растет при росте и начинает пздзть при во падении. Пожзсть имеет скругленную. -кристаллографическую ; огранку. Температура а полости распределяется, как правило, несимметрично. Выше acero онй па поеврхности, обращенной' к лучу -О -лазера. Интенсивность свечения может ненадолго упаоть при падении W(t), но в целом продолжает расти по мера роста полости. В процессе роста непрерывно идет испарение со стенок. На этой стадий может образоваться протяженная трэщина, привести к расширению пара, его быстрому, охлаждению и прекращению езечеиия,

. 3. После окончания лазерного импульса интенсивность стечения начинает снижаться. В первые *2мке ото снижение ЦдаГ очень быстро за счет охлаждена приповерхностного слоя. Затем темпе* ратурный профиль становится более плавным, и падение температуры у лозерхности замедляется. 8 погости преходит реакция рекомбинации Na+-Ct->NáC!. В перзы& «IOmkc полость продолжает . расти, За ото же время существенно сглажиоалтея темпештурныо неоднородности. При атом температура самых горячих участков падает, а в более холодных может расти. Энергий, отйодиоая теплопереносом из полости, тратится, в основном, на испарение!

4. Ниже критической точки (для ЩГК около 3500К) становится возможным существование расплава. Примерно при такой жп температуре пар становится масышснным. Поэтому когда чорэз ^Юнкс температура у поверхности падает до 3500К. испарение сшняотся хонденсцией а расплаа и плотноегь пара начинает пада/ь. Теердоо вещество, в спою очередь, тоже платно« Лолосп ннчынйот принимать форму шара. Расплав может на mtou то зтапэ существовать в виде капель, перемещающихся пс$ полости. По мере падения температуры пара свечение прекращается. Через «ЮОмкс размер полости перестает меняться.

5. Вплоть до времен порядка • продошгчется излз*08Ц«п термонапряжений. При отом образуются мелкие тр&щины, кегерые всегда пщны вблизи пс/госгн.

Зависимость основных парзмзтроз полссг.» от ррех?*гни схема-; тмчно представлено, на рисунке: 'А - гчюпсг'.гмасть СО? -г.2с,ops. В -типичная светимость полости, еппоигиая «ркпзд - & •навсгсэчу лучу СОг -лазера, пукетирнап - под углом -í/2 х «••ev.y, С • рзссе^чио я офлженио под углем -/2, D - rc-.mccxr-jr-?. rrrr-rr'ncrí - температурный гроф^мз c.*-y¡r;i nonce r.\), Е - рг&т-г- чй,.? -

размер. Кривые О и Е гюстро&ны на основании выводов и предположений Главы 4, остальные - на основании экспериментальных данных.

В О&иоЛ представлены основные РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

Т. На базе развитого ранее в ИФ'ГТ способа обнаружения в микроскоп в рассеянном свете центров будущего оптического пробоя разработано нисколько косых методик, позволяющих получить детальную информации о пробое.

2. С. помощью теневого фотографирования получены изображения полости в различные моменты времени, позволяющие получить представление о кинетике развития полости. Максимальная скорость движения стенки полости составляет 2»104см/с. Установлено, что полость в первые НООмкс не является сферой, а несколько вытянута вдоль пуча СОг -лазера к имеет сглаженную . кристаллографическую огранку.

3. Получены фотографии вспышки свечения на отдельном очаге пробоя. Установлено, что в первые несколько микросекунд температура в полости распределена резко неоднородно, причем максимальна на участге. обращенном навстречу лучу СО,? -лазера.

4. С помощью фотографирования с временем экспозиции 10-15нс получены мтновенные распределения полей напряжений вокруг полости в различные моменты времени. Экспериментально подтверждена динамика развития напряжений, предложенная ранее. Обнаружено, ч»о время полной релаксации напряжений порядка 1мс.

5. Обнаружено, что спадание во времени интенсивности свечения может носить немонотонный характер. Лишь на участке полости, обращенном навстречу лучу СО? -лазера, оно носит воспроизводимый монотонный характер и хорошо описывается, как совокупность двух экспонент. Причем характерное Бремя затухания на второй стадии коррелирует с размером окончательной полости. Результаты одновременного измерения кинетики свечения при разных направлениях наблюдения указывают нэ то. что вышеупомянутая немонотонность является следствием релаксации оаспредепения температуры в полости.

6. Исследованы кинетика рассеяния и отражения света на изолированном очзге пробоя. Обнаружено, что нарастание отражения под утлом п/2 через 10-20мкс посла начала пробол сопровождается

к>01 и««всгих выбросов. Установлено, «то эти выбросы яоля

-ла-

ются следствием локальных флуктуации параметров полости вблизи ое поверхности.

7. Получены спектры свечения отдельных очагов пробоя ио всем видимом диапазоне. Спектры измерены в различные моменты времени для разных очагов. Они, за редким исключением, особенностей не имеют и п основном носят тепловой характер. В то *в время получены свидетельства нетаплозосо свечения о области 400-500нм в первые микросекунды после начала пробоя. Установлено, что спектры №С1, КС! и К8г принципиально ни отличаются друг от друга.

Б. Установлено, что полость во время своего свечения заманю поглощает и слабо отражает свет видимого диапазона, еа коэффициент пропускания не более 1%, а коэффициент отрицания - не выше 10%.

9. Совокупность полученных экспериментальных данных может быть объяснена в рамках модели поглощающею пара. Этот пар состоит в основном из частично днссоциироознных молекул галогенида щелочного металла. В процессе пробоя плотность пара достигает 1021см-3, а температура 104К.

10. Предложена детальная картина развития различных процессов при пробое. В частности, установлено, что скорость остывания полости определяется теплоппоеносом внутри нос, чго максимальная толщина слоя расплава иного мзиымо размора полости и предложено качественное объяснение кичр1и>;и спс.енич.

Основные результаты диссертации изложены л следующих работах:

1. А.В.Горбунов, Н.В Классен, М Ю.Максиму к "Изучение природы вспышки при оптичоском пробое ЩГК на Ю,б м*м" ЖТФ, 1992, т.62, N12, с.39-4Э.

2. А Г).Горбунов, М.Ю.Максимук "Кинетика токалытмго оптического пробоя п объомо ЩГК: I. Разлитие полости" - ФТТ, 1994, т.38, N5, с.1416-1423,

3. А.В.Горбунов, М.Ю.Максимук "Кинетика похальното оптического пробоя в объеме ЩГК: II. Свечение и его спектр" ■ ФТТ, 1004, т.Зб. N.5, с. 1429-1 '»36.

4. А.Н .Горбунов. М.Ю.Максимук 'Кинетика свечения и рассеяния п очаг«3 локального оптического пробой" ФТТ. 1?9Г>. г.37, N9,

>Г>-

многогранник сфера

. I

f