Пробой широкозонных диэлектриков импульсным лазерным излучением среднейИК области спектра тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Государственное предприятие Всероссийский научный центр У I "^0СУД^(ЦвеннЬ|^ оптический институт имени С.И.Вавилова"__

О о У ей ^37 На правах рукописи

Смирнов Валентин Николаевич

11 робой «пмроко; о г! я ы % Д!о л е ктников импульсным лазерным излучением средней И К области спектра

01.04.05 - оптика

Диссертация

(в форме научного доклада) на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Сант-Петербург

1996

. Работа выполнена во Всероссийском научном центре "Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова'1

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук О.М.Ефимов

Доктор физико-математических наук, профессор Е.Н.Котликов

Доктор физико-математических наук , профессор В.А.Серебряко!

Ведущая организация Санкт-Петербургский государственный

институт точной механики н оптики (технический университет)

Защита состоится "2 ( " Орё-^^ли-Л 1997 года в I часов на заседании диссертационного совета Д 105.01.01 ВНЦ 'ТОЙ им. С.И.Вавилова" (199034, Санкт-Петербург, Биржевая линия, дом 12)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Центра.

Диссериация разослана

года

Ученый секретарь диссертационного совета ВНЦ "ГОИ им.С.И.Вавилова" доктор технических наук, профессор ^Г ¿/С/СлГ~~ А.И.Степанов

Актуальность темы

Исследования лазерного разрушения прозрачных диэлектриков ведутся практически с момента создания мощных твердотельных лазеров. Интерес к этой проблеме продиктован как необходимостью выяснения принципиальных вопросов физики взаимодействии интенсивного лазерного излучения с веществом, так и практической потребностью в оптических материалах, пригодных для создания высоконадежных мощных лазерных систем.

Различают два вида пробоя - собственный и несобственный. Под собственным пробоем понимают пробой, инициируемый в самой матрице и не связанный с наличием в материале дефектов. К механизмам собственного пробоя относят лавинную и многофотонную ионизацию и пороговое сужение запрещенной зоны диэлектрика. Собственные механизмы пробоя, определяющие предельные значения лучевой прочности оптических материалов (1011-10|3Вт/см2 ), реализуются при острой фокусировке излучения. Последнее связано. в частности, с необходимостью исключения влияния на развитие пробоя в облучаемой области различного рода дефектов, прежде всего поглощающих неоднородностей (ПН). Действительно, надежно установлено, что в подавляющем большинстве случаев лучевая прочность реальных сред ограничена развитием несобственного пробоя, инициируемого нагревом (ПН). Нагрев их ведет к разрушению материала, обусловленному появлением локальных проплавов. разрастанию размеров поглощающей области вокруг ПН за счет включения различных механизмов нелинейного поглощения (обусловленных тепловой или фотоионизацией матрицы излучением нагретой ПН, протеканием термохимических и фотохимических реакций), возникновению термических напряжений. Наличие в материале ПН ведет не только к снижению порога пробоя на несколько порядков по сравнению с порогом собственного пробоя, но и к зависимости порога от размера облучаемой области, не связанной с самофокусировкой, эффектам накопления и допороговым явлениям.

К моменту начала выполнения настоящего цикла работ (1975 г.) систематических исследований пробоя щелочно-галоидных кристаллов (ЩГК), рассматриваемых при решении многих проблем как модельные и широко используемых в качестве оптических материалов, под действием импульсов СОг лазера не проводилось. Вместе с тем, априори ясно, что значения лучевой прочности этих материалов с шириной запрещенной зоны ~ 8 эВ и других широкозонных кристаллов не могут определяться многофотоникой или развитием электронной лавины и должны ограничиваться (исключая случаи острой фокусировки) развитием оптического пробоя тепловой природы. Низкие значения коэффициентов поглощения ЩГК в области 10.6 мкм (< Ю-3 см-1 ) позволяли считать, что пробой должен быть связан с нагревом ПН. В пользу несобственного пробоя ЩГК свидетельствовали результаты первых исследований их пробоя импульсами СО: лазера. Однако, прямой перенос моделей, используемых для описания оптического пробоя таких хорошо изученных сред, как стекла, под действием импульсов излучения с И\ = 1.78 и 1.17 эВ на пробой

ЩГК (отличающихся от них физико-химическими, теплофизическими, механическими и оптическими характеристиками) под действием импульсов излучения с /¡v = 0.117 эВ не представлялся достаточно обоснованным. Отсутствовали достоверные сведения о природе и составе ПН, определяющих значения порогов, реализующихся в экспериментах при больших облучаемых пятнах. Не было ясности и относительно возможности прогнозирования лучевой прочности этих сред на основе данных об их оптических характеристиках.

Практически важно, что данных о значении лучевой прочности материала недостаточно для оценки работоспособности изготовленных из них оптических элементов. Дело в том, что лучевая прочность последних ограничена более низкими порогами разрушения их поверхностей по сравнению с порогами пробоя в объеме используемых материалов. Это связывают с существенно более высокой концентрацией разнообразных дефектов, содержащихся в поверхностном слое и снижающих величину порога разрушения поверхности по сравнению с их концентрацией в объеме материала. Установлено также, что существенную роль в разрушении элементов из ЩГК играет приповерхностный низкопороговый оптический пробой (НОП), порог которого, как известно, существенно ниже, чем порог пробоя газа вдали от поверхности. В течение длительного времени в литературе дискутировался вопрос о том, возникает ли плазма у поверхности прозрачного диэлектрика в результате разрушения поверхности или разрушение последней является следствием воздействия на нее плазмы пробоя. Не был ясен и сам механизм развития НОП - связан ли он с испарением имеющегося на поверхности поглощающего адсорбата и развитием пробоя в его парах или, как и в случае пробоя в объеме, с нагревом ПН поверхностного слоя.

В связи с этим определение параметров ПН в ЩГК и систематические исследования оптического пробоя в их объеме и на поверхности оптических элементов (включая допороговые явления) в режимах, близких к реальным условиям их эксплуатации в лазерных системах, представляло большой научный интерес и имело практическое значение для поиска путей повышения их лучевой прочности.

Цель работы

Настоящая работа посвящена систематическому исследованию оптического пробоя в объеме промышленных NaCl, KCl, КВг и разрушения поверхности изготовленных из них оптических элементов в условиях развития НОП под действием импульсов излучения СОг лазера. Часть экспериментов проведена на кристаллах NaCl с низким содержанием примесей и специально легированных NaCl и KCl, а также промышленных образцах LiF, BaF2, CaF2 и Ge. Решение этой задачи включало:

- разработку простых методов определения порогов пробоя, его размерной зависимости и концентрации ПН;

- исследование процессов, сопровождающих развитие пробоя и формирование микроразрушений;

- получение данных о размере, концентрации и составе ПН,- инициирующих развитие пробоя в объеме и на поверхности ЩГК;

- исследование корреляции порогов пробоя в объеме с оптическими характеристиками промышленных, чистых, легированных и окрашенных у-квантами ЩГК;

- исследование процессов, протекающих на поверхности кристалла в широком интервале значений интенсивности излучения - от допороговых до приводящих к формированию макроразрушений в условиях развития ПОП.

Научная новизна работы определяется тем, что в ходе ее выполнения большинство результатов получено впервые. К числу полученных оригинальных результатов относятся:

1. Простой метод измерения порога оптического пробоя, инициируемого ПН. позволяющий оценить их концентрацию и определяемую ими размерную зависимость порога пробоя с заданным значением вероятности его развития.

2. Определение элементного состава, размеров и концентраций ПН, инициирующих развитие пробоя в объеме ЩГК.

3. Результаты исследования процесса развития пробоя в объеме ЩГК, свидетельствующие о том, что его начальная стадия включает нагрев ПН до температуры, не превосходящей -1000 ос и растрескивание кристалла под действием термических напряжений. Растрескивание сопровождается ростом рассеяния и вспышкой свечения, сходного по природе с триболюминесценцией. Показано, что основной рост рассеяния, обусловленный формированием микроразрушений, соответствует во времени наиболее высоким значениям скорости роста размеров микроразрушений и интенсивности пичков вспышки свечения.

4. Экспериментальное обнаружение в спектрах триболюминесценции ЩГК при их механическом разрушении линий щелочных металлов, подтвеж-дающее определяющую роль ионов этих металлов в развитии разряда в трещинах.

5. Результаты сопоставления спектров триболюминесценции ЩГК при лазерном разрушении со спектрами триболюминесценции при их разрушении традиционными способами, свидетельствующие о том, что их основное отличие состоит в возбуждении в первом случае линий элементов, входящих в состав ПН, а во втором - пиний или полос газов окружающей атмосферы.

6. Результаты сопоставления порогов пробоя и оптических характеристик ЩГК, свидетельствующие об отсутствии их корреляции, что затрудняет прогнозирование порогов пробоя, инициируемого ПН.

7. Результаты сопоставления порогов образования микроразрушений на поверхности и в обеме прозрачного диэлектрика, свидетельствующие о том, что первый из них может быть как выше, гак и ниже второго.

8. Метод определения локализации инициирующих развитие пробоя ПН, в поверхностном слое (непосредственно под поверхностью или над нею) оптического элемента, основанный на сопоставлении экспериментально исследо-

ванной зависимости порога пробоя от угла падения ^-поляризованного излучения с расчетными зависимостями порогов для этих двух типов локализации ПН.

9. Результаты экспериментального определения локализации ПН в поверхностном слое оптических элементов, изготовленных из ЩГК, свидель-ствующие о том, что в преобладающем числе случаев приповерхностный оптический пробой воздуха инициируется ПН, локализованными непосредственно под поверхностью и обусловленными технологиями выращивания кристалла и (или) обработки поверхности.

10. Результаты исследования допороговых вспышек свечения и эмиссии заряженных частиц с поверхности ЩГК, дающие основания считать, что они обусловлены соответственно оптическим излучением плазмы разряда, развивающегося в микротрещинах поверхностного слоя,и эмиссией заряженных частиц из них.

11. Результаты обобщения литературных и экспериментальных данных, дающие основания считать, что снижение порога пробоя воздуха у поверхности прозрачного диэлектрика, обусловлено появлением в пределах облучаемого пятна затравочных электронов в результате фрактоэмиссии (механоэмиссии) из трещин, образующихся в поверхностном слое вблизи нагреваемых ПН.

12. Результаты эксперимента и расчета, свидетельствующие о том, что воздействие на переднюю поверхность пластины прозрачного диэлектрика излучения с интенсивностью, меньшей порога образования на ней разрушения, при углах падения, отличных от нуля, может сопровождаться образованием повреждения за пределами облучаемого пятна в области падения на нее пучка, отраженного от тыльной поверхности. Это связано с воздействием на ПН, локализованные непосредственно под поверхностью, результирующего поля интерференции двух находящихся в фазе волн - падающей со стороны тыльной поверхности и отраженной от передней.

13. Результаты исследования развития низкопорогового оптического пробоя у поверхности оптических элементов из ЩГК, свидетельствующие о том, что формирование макроскопических повреждений поверхности обусловлено растрескиванием поверхностного слоя в результате его нагрева вакуумным ультрафиолетовым излучением плазмы НОП.

Практическая значимость результатов работы определяется комплексом результатов, полученных при иследовании как особенностей развития оптического пробоя в объеме и на поверхности ЩГК, так и оптических характеристик исследуемых сред, включая характеристики содержащихся в них ПН. Выполнение этих исследований потребовало разработки ряда экспериментальных методов. Последние выходят за рамки конкретных решавшихся задач и представляют самостоятельный интерес. В процессе работы:

1. Показано, что использование метода измерения пороговой интенсивности излучения, применяемого в исследованиях собственного пробоя и осно-

ванного на фиксации интенсивности излучения, соответствующей отсечке части импульса в результате поглощения плазмой, в случаях инициирования пробоя ПН приводит к получению завышенных значений порога.

2. Разработан простой метод измерения порога оптического пробоя, инициируемого ПН в объеме прозрачною диэлек1рика. позволяющий оценить концентрацию ПН и определяемую ими размерную зависимость порога с заданным значением вероятности его развития.

3. Показано, что преобладающая часть центров, рассеивающих в видимой области спектра и обнаруживаемых средствами оптической микроскопии в обьеме ЩГК, не являются ПН, определяющими величину порога ошическо-го пробоя импульсами СО2 лазера. Пороги пробоя не коррелируют с результатами измерения оптических характеристик ЩГК (промышленных, "чистых", легированных и окрашенных у-квантами). что затрудняет использование результатов их контроля для прогнозирования порогов,

4. Разработан метод определения элементного состава наиболее низкопороговых' ПН на основе результатов анализа спектров свечения, сопровождающего образование микроразрушений в объеме прозрачного диэлектрика.

5. Показано, что в состав ПН. определяющих пороги пробоя промышленных ЩГК и ВаГ; импульсами излучения с к = 10.6 мкм. входят Р. Бс, 81, образующие кислородсодержащие соединения, сильно поглощающие в средней И К области спектра, и предложены пути повышения порогов.

6. Разработан метод определения локализации в поверхностном слое (под поверхностью или на ней) прозрачного диэлектрика ПН, инициирующих развитие приповерхностного оптического пробоя. Показано, что в преобладающем числе случаев приповерхностны)! оптический пробой воздуха инициируется ПН, локализованными непосредственно под поверхностью и обусловленными технологиями выращивания кристалла и (или) обработки поверхности.

7. Показано, что снижение порога пробоя воздуха у поверхности прозрачного диэлектрика, может быть связано с появлением в пределах облучаемого пятна затравочных электронов, необходимых для развития пробоя, в результате эмиссии их из трещин, образующихся в поверхностном слое вблизи нагреваемых ПН.

8. Предложен способ прогнозирования лучевой прочности поверхности оптических элементов, основанный на корреляции порогов пробоя и уровней интенсивности допорот 0В01 о свсчсния.

9. Показано, что существование размерной зависимости порога пробоя может отражаться на результатах его измерения при углах падения излучения на поверхность, существенно отличных от нуля, и других его измерениях в условиях воздействия заведомо сверхпороговых импульсов излучения.

Основные положения, выносимые на защиту:

Основные результаты работы сформулированы в защищаемых положс

ниях:

1. Результаты исследования зависимости числа образующихся микроразрушений от интенсивности излучения в условиях облучения объема прозрачного диэлектрика, содержащего ПН одного типа, пучком с гауссовым распределением энергии по его сечению позволяют определить не зависящее от размера облучаемого пятна значение порога образования микроразрушений, концентрацию ПН и размерную зависимость порога оптического пробоя с заданной вероятностью его развития.

2. Начальная стадия оптического пробоя ЩГК под действием импульсов СОг лазера представляет собой нагрев ПН до температуры, не превосходящей ~1000 °С, и растрескивание кристалла вблизи ПН под действием термических напряжений, сопровождаемое ростом рассеяния и вспышкой свечения, сходного по природе с триболюминесценцией. Основной рост рассеяния и наиболее высокие значения скорости формирования микроразрушений соответствуют интервалу времени, в пределах которого наблюдаются наиболее интенсивные пички вспышки свечения.

3. Преобладающая часть обнаруживаемых в объеме ЩГК центров, сильно рассеивающих в видимой области спектра, не является ПН, лимитирующими величину порога пробоя на длине волны 10,6 мкм. В состав ПН, инициирующих развитие оптического пробоя ЩГК под действием импульсов СО2 лазера, входят Р, Б, Бе, (наиболее часто), способные образовывать сильно поглощающие в средей И К области спектра кислородсодержащие анионы. Преимущественные размеры ПН составляют 1- 3 мкм, а их концентрация в большинстве кристаллов превышает 104 см-3.

4. Значения порогов оптического пробоя в объеме ЩГК, определяемые степенью неоднородности распределения поглощающих примесей, не коррелируют с оптическими характеристиками, зависящими от общего содержания примесей, что затрудняет прогнозирование порогов.

5. Сведения о локализации в поверхностном слое (под поверхностью или на ней) наиболее опасных ПН могут быть получены путем сопоставления экспериментально исследованной зависимости порога пробя от угла падения на поверхность /»-поляризованного излучения с расчетными зависимостями для порогов пробоя, обусловленных ПН, локализованными непосредственно под поверхностью и на ней. Данные о локализации ПН позволяют прогнозировать угловые зависимости порогов пробоя для передней и задней поверхностей элементов лазерной техники. В преобладающем числе случаев приповерхностный пробой инициируется ПН, локализованными непосредственно под поверхностью.

6. Снижение порога оптического пробоя воздуха под действием импульсов СОг лазера у поверхности ЩГК может быть связано с появлением затравочных электронов в пределах облучаемого пятна в результате фрактоэмиссии из трещин, образующихся в поверхностном слое вблизи ПН, нагреваемых до температур, меньших 1000 °С.

7. Отличительная особенность свечения, сопровождающего начальную стадию оптического пробоя в объеме ЩГК, состоит в том, что при лазерном

инициировании процесса трещинообразования возбуждаются линии элементов ПН, а в условиях традиционных способов возбуждения триболюминесценции при мехнических воздействиях - линии или полосы газов окружающей атмосферы. Последние обнаруживаются также в спектрах допорогового свечения поверхности ЩГК. Линии же щелочных металлов кристаллической решетки наблюдаются во всех случаях.

8. Формирование макроскопических повреждений поверхности прозрачного диэлектрика в условиях развития приповерхностного низкопорогового оптического пробоя обусловлено нагревом поверхностного слоя сильно поглощаемым вакуумным ультрафиолетовым излучением плазмы пробоя и растрескиванием поверхности под действием термических напряжений.

Результаты, полученные в ходе выполнения настоящей работы, внесли

существенный вклад в формирование и развитие силовой оптики - раздела квантовой электроники и физической оптики, связанного с созданием и практическими применениями мощн|ых лазеров.

Личный вклад автора.

Все вошедшие в диссертацию оригинальные результаты получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии.

Апробация работы.

Основные результаты работы доложены на: IV и V Всесоюзных совещаниях, VI, VII, VIII Вссоюзных конференциях по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград - 1978, 1981, 1988, 1990, Паланга - 1984), IX Международной конференции по нерезонансному взаимодействию лазерного излучения с веществом (Санкт- Петербург, 1996), II Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград -1979), IV Всесоюзном симпозиуме "Экзоэлектронная эмиссия и ее применение" (Тбилиси - 1985), Всесоюзном симпозиуме "Эмиссия с поверхности полупроводников, в том числе экзоэмиссия" (Львов - 1989), Всесоюзном семинаре "Предельная прочность прозрачных оптических материалов к лазерному излучению (Вильнюс - 1989).

Публикации.

Основные результаты диссертации изложены в 64 научных публикациях в отечественных изданиях, в том числе в 39 статьях и 6 Авторских свидетельствах. Список статей и Авторских свидетельств приведен в конце диссертации.

Результаты работ, представленные в докладе, широко известны научной общественности.

Содержание работы.

1. Разработка способов измерения порога оптического про боя прозрачного диэлектрика, содержащего Г1Н, его размер ной зависимости и размера облучаемого пятна [20,28,33,40 41,45]

Основная цель методического раздела работы состояла в разработке про стых способов измерения порога оптического пробоя д* в объеме прозрачной диэлектрика, содержащего ПН, и размера облучаемого пятна Я, а также про гнозирования размерной зависимости д*(Я) по результатам измерений д*, вы полненым предложенным способом при одном из значений Я=Я0. Продемон стрирована непригодность использования для этих сред способа измерения по рога пробоя, основанного на фиксировании значения интенсивности излуче ния, соответствующего инициированию непрозрачной плазмы.

Предложен способ измерения порога, основанный на результатах анали за экспериментальной зависимости числа микроразрушений М, образующихс! в каустике линзы, от интенсивности излучения д при облучении среды пучком I гауссовым распределением энергии по сечению: д= д0схр(-г/Я2). Предполага ется, что среда содержит ПН одного типа с порогом образования микроразру шений д *„, и концентрацией С. Подсчет М— УС проводится в пределах выде ленной в каустике цилиндрической области с объемом У=л(г*)7г, причем дли на ее к«Ё, где F - фокусное расстояние линзы. При этом, (г*)' = ЯЛп((д0/д*т) определяется из условия д > д*т . Использование эксперимен тальных данных позволяет с помощью уравнения М = я/ГЛОп (ц0 /д *т) опре делить С и не зависящую от Я величину д *т .

Подстановка полученного выражения для V в известное соотношение дл? вероятности Р=1- ехр(-СК) обнаружения ПН в пределах V и элементарны! преобразования дают зависимость измеряемого порога пробоя от Я для заданной вероятности его инициирования Р в виде д*р(Я) = д*т ехр [- \п(1-Р)/лЯ21гС\ Полученное соотношение позволяет прогнозировать размерную зависимосп порога по результатам измерений С и д*т, выполненным при одном из значений размера облучаемой области Я=Я0.

Предложен также способ измерения параметра гауссового распределения Я по результатам измерений г*, выполненным при нескольких (по крайней мере, двух) значениях д0: Д={[(г*,)2- (г*^)2] Проведены измерения порогов и размеров облучаемой области предложенными способами. Полученные результаты удовлетворительно согласуются с результатами измерений другими методами.

Проведено сопоставление результатов определения порогов пробоя, инициируемого нагревом ПН, двумя известными методами при облучении образца импульсами излучения с гауссовым распределением энергии и пиковыми

ю

интенсивностями д0. Первый из них предполагает проведение серии измерений с различной величиной <70 при облучении образца каждый раз в новом месте, а за порог принимается величина Ч*-(УЩ[ятаХ(-) + „/„,-+;], где дтах(^ - максимальное значение дв в серии измерений, при котором пробой не наблюдается, а (/„„„ .. - минимальное в тон же серии измерений значение <]п. при котором пробой развивается. Второй метод основан на облучении образца заведомо сверхпороговыми импульсами, причем за порог пробоя принимается значение интенсивности излучения </*„,,. соответствующее возникновению непрозрачной плазмы. Результаты анализа и прямые измерения д*ар и 1/*и, выполненные в объеме и на поверхности ряда образцов, свидетельствуют о том, что при увеличении q0 величина ц*ар не остается неизменной. Более того, наблюдается рост отношения измеряемых порогов д*ар / д*0, достигающего при <70/(/*0= 10 значения ~2.5. Показано, что следующий из анализа рост ц*ар при проведении измерений может ослабляться в результате влияния на измеряемую величину порога его размерной зависимости, особенно сильно проявляющейся при малых размерах облучаемого пятна.

2. Исследование начальной стадии развития оптического пробоя и формирования микроразрушений в объеме ЩГК под действием импульсов СОг лазера [2,7,8,14,15,18,19,22, 39]

К моменту постановки настоящей работы систематических исследований механизма развития оптического пробоя в широкозонных диэлектриках под действием импульсов лазерного излучения средней И К области спектра не проводилось. Прямой же перенос моделей лазерного разрушения стекол и других сред, прозрачных в видимой и ближней И К областях спектра, при облучении импульсами с Лу = 1.78 и 1.17 эВ на пробой ЩГК импульсами излучения с Иу = 0.117 эВ не представлялся обоснованным. В связи с этим проведены исследования характеристик вспышек свечения (ВС) и роста рассеяния, сопровождающих образование микроразрушений в объеме ЩГК под действием импульсов СОг лазера, а также скорости роста самих микроразрушений.

В экспериментах использовался ТЕА СОг лазер с длительностью импульсов на полувысоте 100-200 не и длительностью по основанию более 2 мкс. Выбор газовой смеси и использование диафрагмы в резонаторе для селекции поперечных мод позволили получить генерацию на осевых модах с длительностью импульса по основанию ~1.5 мкс и длительностью на полувысоте 50 -75 не. Этот режим генерации использовался в большинстве описанных в работе экспериментов.

Измерены пороги </,„. появления в КаС1. КС1 и КВг вспышек свечения (ВС), сопровождающих образование в кристаллах центров рассеяния - микроразрушений в виде сферических полостей размерами 5-50 мкм, окруженных трещинами. При диаметрах облучаемого пятни > 0.25 мм цес ~1-10 МВт/см2 . Исследованы зависимости интенсивности ВС - 1вс и их кинетики от интнесив-

п

ности лазерных импульсов q в интервале q„c < q < q„p (где qep - порог образования разрушений, видимых невооруженны глазом) и числа светящихся центров (СЦ), в свою очередь, зависящего от д, в поле зрения микроскопа и оптической системы, собирающей их излучение на фотокатод ФЭУ. ВС при облучении первым импульсом с q>qec представляются состоящими из большого числа перекрывающихся пичков и обусловлены свечением большого числа центров. Их длительность превышает 10 мкс. При облучении каждым импульсом нового места кристалла с нарастающей величиной q наблюдается рост 1вс, числа СЦ, числа пичков во ВС и их перекрытия.

При повторных облучениях одного и того же места кристалла с неизменным значением q ранее светившиеся центры, как правило, не светятся, но могут появляться новые. С ростом порядкового номера импульса N резко снижаются число СЦ и образующихся на их месте микроразрушений. Возможны два варианта: 1) с ростом числа импульсов число СЦ и 1ес спадают до нуля, 2) небольшая часть СЦ или один из них продолжают светится в течение воздействия десятков импульсов, а 1вс меняется от импульса к импульсу, осциллируя относительно некоторого уровня, на порядки меньшего 1вс при N

Уменьшение q до q~ q(K, что ведет к сокращению числа СЦ, позволяет исследовать кинетику свечения отдельного центра, начиная с воздействия первого импульса. Основной особенностью таких ВС является невоспроизводимость их формы от импульса к импульсу. Каждая ВС в этих условиях состоит из нескольких неперекрывающихся или слабо перекрывающихся пичков длительностью ~ 100 не. Рост q приводит к росту числа пичков, их амплитуды и перекрытия. Первый из них, начало которого соответствует максимуму основного пичка лазерного импульса, по амплитуде чаще превосходит последующие, но может быть и меньше последующих. Наблюдались осциллограммы, свидетельствующие и о возможности полного отсутствия первого пичка ВС. Наиболее интенсивные пички, как правило, соответствуют интервалу времени длительностью 2-3 мкс от начала ВС. Последовательное воздействие лазерных импульсов на подобные СЦ сопровождается разрастанием окружающих их трещин и в конечном итоге приводит к образованию макроскопического разрушения.

Образование микроразрушений объяснено нагревом поглощающих не-однородностей (ПН). Оценки нагрева ПН, выполненные для ПН размером ~ 1 мкм с коэффициентом поглощения ~ 104 см-' показывают, что к моменту появления ВС при q ~ 10б -ТО7 Вт/см2 их температура повышается на ЛТ~ 100 -1000 К. Температура нагрева ПН к концу лазерного импульса может заметно (в 3 - 4 раза) превысить достигаемую к началу ВС, то есть превысить температуру плавления ЩГК - Тт . На этой стадии, когда AT > Тт, проходит завершающая стадия формирования микроразрушений в виде сферических полостей, окруженных отходящими от них трещинами.

Анализ термических напряжений, возникающих в окружающей среде, вокруг равномерно нагретой до температуры AT сферы, показывает, что растя-

гивающие напряжения на границе ПН - кристалл при ЛТ ~ 103 К достигают значений ст ~ 104 кг/см2. Близкое значение а дает и простая оценка: а ~а Е ЛТ = 16000 кг/см2 »а*, где а ~ 4.105 град-' - коэффициент линейного расширения, о* ~ 20 кг/см2 - предел прочности и Е ~ 4х105 кг/см2 - модуль Юнга для NaCl. Считалось, что вблизи ПН значения микроскопического и макроскопического пределов прочности практически не отличаются, в связи с чем возникающие напряжения должны приводить к практически безынерционному растрескиванию кристалла.

Наблюдавшиеся ВС при q~qec объяснены триболюминесценцией - свечением электрического разряда, инициируемого кинетической ионно-электронной эмиссией и развивающегося в электрических полях (~ 10б-107 В/см), возникающих между заряженными стенками трещин в кристалле. Характерная для триболюминесценции нерегулярность изменений интенсивности свечения во времени отчетливо проявляется на осциллограммах ВС. При этом каждый пичок в пределах ВС может рассматриваться как результат развития разряда в одной из прорастающих трещин.

О нетепловой природе свечения при q~qllc свидетельствуют также результаты исследования спектров ВС и их кинетики в различных областях спектра. В случае измерений при q< qef наблюдается подобие кинетики ВС в длинноволновой (~1 мкм) и коротковолновой (~ 0.4 мкм) областях спектра, чего не наблюдается при q > qep , то есть в случае явного преобладания вклада свечения тепловой природы.

Проведены исследования роста размеров микроразрушений путем фотографирования их в различные моменты времени в свете импульсов (~ 10 не) вспомогательного лазера типа ЛТИПЧ, синхронизированного с импульсами силового лазера, и кинетики роста рассеяния в течение действия лазерного импульса и после его окончания. Полученные результаты свидетельствуют о том, что наибольшие значения скорости роста размеров микроразрушений v(t) и рассеяния (нарастающего от исходного уровня практически до значения, определяемого появлением в кристалле сформировавшихся микроразрушений) отвечают интервалу времени, в пределах которого наблюдаются наиболее интенсивные пички ВС. Так например, при q ~ 1.5 q* для микроразрушения с конечным размером ~ 10 мкм по истечении 10 7 с от начала импульса v(10"7 с) = 104см/с, тогда как »'(Ю-4 с) = 150 см/с.

3. Исследование параметров поглощающих неоднородно-стей, определяющих развитие оптического пробоя в щелоч-но-галоидных кристаллах под действием импульсов СОг лазера [7,15,19,20,23,25,27,37,42]

С целью получения данных о харарактеристиках ПН, инициирующих развитие теплового пробоя в ЩГК при длительности импульсов СО: лазера ~ 1 мке проведены исследования рассеивающих центров, наблюдаемых с по, 13

¿ Заказ 790

мощью оптического микроскопа, неоднородностей состава кристалла, обнаруживаемых растровым электронным микроскопом с рентгеновским микроанализатором, оценки размеров ПН на основе экспериментальных данных об их концентрации и коэффициентах поглощения кристаллов, сопоставление коэффициентов поглощения в области 10.6 мкм и порогов разрушения нелегированных кристаллов и кристаллов, легированных ЫагЗЮг.

Выяснено, что отчетливо наблюдаемые в кристаллах с помощью оптического микроскопа рассеивающие центры (включения) размерами 5-10 мкм, как правило, не совпадают с местами локализации свечения, сопровождающего воздействие сверхпороговых импульсов, и образующихся микроразрушений. В связи с этим большинство из них не может отождествляться, по крайней мере, с наиболее низкопороговыми ПН, инициирующими развитие пробоя при использованных параметрах импульсов излучения.

С помощью электронного микроскопа исследованы сколы кристаллов ЫаС1, КС1 и КВг, как необлученных, так и предварительно подвергнутых воздействию нескольких десятков импульсов излучения СО2 лазера. На сколах необлученных кристаллов обнаружены области размерами 1-10 мкм, элементный состав которых существенно отличается от состава матрицы. Наиболее часто наблюдаются неоднородности случайной формы размерами 3-5 мкм. В рентгеновских спектрах неоднородностей наряду с линиями основных элементов (Ыа, К, С1, Вг) наблюдаются линии ряда металлов (К^, Са, Ва, Си, Ие, N4, Т1, V) и металлоидов - (наиболее часто), Р, Б, Бе. На сколах облученных образцов обнаруживаются микроразрушения, имеющие вид ямок (диаметром 530 мкм) с потрескавшимися стенками. Элементный состав материала в ямках аналогичен составу неоднородностей. Сделан вывод, что ПН, инициирующими развитие пробоя, являются неоднородности состава кристалла, содержащие Р, Э, Бе, и другие примеси, способные образовывать кислородсодержащие анионы, сильно поглощающие на X. = 10,6 мкм. Аналогичные результаты получены в ходе исследований, проведенных на необлученных кристаллах БаИг.

Размеры наблюдаемых неоднородностей хорошо согласуются с результатами оценки размеров ПН (1-3 мкм), проведенной на основе результатов измерения коэффициентов поглощения (0.5 -5)х10 3 см-1 и концентраций ПН (104 -105 см-3) в исследованных кристаллах.

В спектрах свечения, сопровождающего образование микроразрушений при интенсивностях лазерного излучения, близких к порогу, наблюдаются максимумы, соответствующие примесям, обнаруженным с помощью электронного микроскопа. Проверено соответствие максимумов спектра свечения КС1 для двух его областей (474-484 и 605-650 нм), исследованных с разрешением соответственно 0.2 и 0.7 нм, положению линий и других элементов, обнаруживаемых электронномикроскопическим анализом в составе неоднородностей.

Показано, что за исключением максимумов 481.8, 482.5, 620, 636 и 649 нм (им соответствуют линии Р, V, Б) остальным 13 максимумам этих двух областей спектра свечения могут быть сопоставлены (одна или две) линии 81. На-

личие Si в промышленных ЩГК подтверждено также результатами эмиссионного спектрального анализа, а определяющее влияние молекулярных кислородсодержащих ионов на рост поглощения и падение порога - результатами исследования поглощения и порогов пробоя в кристаллах, легированных

NaiSiOj.

Предложен способ определения элементного состава наиболее низкопороговых ПН (определяющих величину порога пробоя), основанный на анализе

спектров вспышек свечения, сопровождающих образование микроразрушений при интенсивностях лазерного излучения, близких к порогу.

4. Исследования оптического пробоя в объеме щелочно-галоидных кристаллов с различными оптическими характеристиками и анализ возможности существования корреляции оптических характеристик кристаллов и порогов их пробоя [6,20,21,23,37]

В связи с противоречивостью литературных данных о корреляции оптических характеристик и порогов пробоя оптических материалов исследованы оптические характеристики, измерены пороги пробоя и изучена морфология очагов разрушения для -100 образцов промышленных (включая наиболее "чистые"), окрашенных и специально легированных кристаллов NaCl, КС1 и КВг.

Для партии промышленных образцов проведены сопоставления порогов оптического пробоя - q*1 и q*2 (при диаметрах облучаемого пятна i/7 = 0.11 и d2 = 0.45 мм), коэффициентов поглощения в области 10.6 мкм - /7(10.6), измерявшихся методом лазерной калориметрии, относительных уровней рассеяния - Р (0.63) и Р (10.6) соответственно на = 0,63 и 10.6 мкм, а также относительных уровней яркости фотолюминесценции на Л~ 560 нм - 1ф. Для образцов с низкими значениями q*2 по результатам исследования зависимостей числа микроразрушений, образующихся в каустике линзы, от интенсивности излучения оценивались также концентрации ПН - С, определявших величину порога пАробоя. Результаты подобных оценок для образцов с q*2 = 10-50 МВт/см2 дают С = 1.8х104 - 2.3x10 5 см 3.

Высокие значения q*j и q*: (соответственно 5 - 10 ГВт/см2 и 180 -400 МВт/см:) наблюдались лишь у ряда образцов NaCl. Морфология их разрушения резко отличалась от морфологии разрушения остальных кристаллов, в объеме которых при q > q* в пределах каустики может появляться одно или несколько микроразрушений. В высокопороговых же образцах в этих условиях образовывался очаг сильного растрескивания размерами до нескольких мм. Отсутствие разрушений в виде веретенообразных проплавов свидетельствует о том, что в высокопороговых образцах, также как и в остальных образцах ЩГК, пробой инициировался нагревом ПН.

2*

15

У кристаллов NaCl /9(10.6) заключены в интервале от значения ~10-3см-1, близкого к теоретическому пределу и экспериментальным данным, приводимым в литературе, до ~6х10"3 см-1 . Для наиболее прочных кристаллов NaCl характерны /7(10.6) <1.5х10"3 см-', однако среди исследованных кристаллов обнаружены образцы с /7(10.6) =1.5x10'3 см-' и q*, =700 Мвт/см2, а также с ¿0(10.6) =1.3х10"3 см-' и q*j =600 Мвт/см2. В этих образцах значения С составляли соответственно 1.8x104 и6х104см"3.

У образцов KCl q*j не превышали 200 МВт/см2, а q*2 - 60 МВт/см2. Значения измеренных для них /?(10.6) заключены в интервале (0.17-2.5)х10-3 см-' и значительно превосходят теоретическое значение /0(10.6) для KCl (7xlO s см1). Пороги и коэффициенты поглощения исследовавшихся образцов КВг близки к порогам и коэффициентам поглощения KCl и наиболее низкопороговых образцов NaCl.

Из анализа экспериментальных данных следует отсутствие корреляции 1*1 и Я*2< изменявшихся для исследованной партии образцов соответственно от 30 до 104 и от 9 до 4x102 МВт/см2, с /9(10.6) изменявшимися в интервале (0.17 - 6)х10"3 см-', а также Р(0.63), Р(10.6) и 1ф, изменявшимися соответственно от 0.04 до 48, от 0.2 до 43 и от 1 до 130 отн ед. Морфология разрушений свидетельствует о том, что инициирование пробоя нагревом ПН не исключается вплоть до значений /9(10.6), приближающихся к теоретическим значениям.

Анализ экспериментальных данных свидетельствуют также о том, что результаты контроля уровней рассеяния или интенсивности люминесценции не могут быть использованы для прогнозирования порогов пробоя в ЩГК под действием импульсов СО2 лазера. Не решают проблемы и результаты контроля коэффициента поглощения на рабочей длине волны. Это связано с Тем, что соответствие высоких q* и низких /0(10.6) наблюдалось лишь у образцов NaCl с /9(10.6), отвечающими крайне узкой области значений вблизи теоретического предела.

Полученные результаты могут быть объяснены неоднородным распределением в кристаллах примесей, обусловливающих их избыточное поглощение. Об этом свидетельствуют само наличие ПН, проявляющееся, в частности, в наблюдающейся морфологии разрушения. При неоднородном распределении поглощающей примеси возможна реализация различных вариантов ее распределения. Каждый из них характеризуется параметрами ПН (концентрантрация и сечение поглощения), определяющими q*, и значением /9(10.6), не оказывающим при наличии ПН влияния на порог. Наоборот, при однородном распределении поглощающей примеси и высоких ее концентрациях возможно проявление зависимости q* от величины /9(10.6), то есть их корреляции;

Поскольку воздействие ионизирующего излучения на ЩГК приводит к образованию в них центров окраски и росту коэффициента поглощения, в том числе /9(10.6), представляло интерес выяснить появляются ли при окрашивании ЩГК новые ПН, существенно снижающие q* и коррелируют ли новые значе-

ния q* с оптическими характеристиками окрашенных или отожженных после окрашивания кристаллов.

В связи с этим исследованы изменения оптических характеристик /?(10.6), Р(О.вУ), f(10.6) и 1ф образцов NaCI и КС1 после их окрашивания у-квантами (изотоп 60Со, 5.105 - 2х106 рад) и порогов пробоя q*t при d1 — 0.11 мм. Исследования выполнены на низкопороговых и высокопороговых образцах, использовавшихся в экспериментах, описанных выше.

В ходе исследований низкопороговых кристаллов использовались пары образцов, выколотых из одной були, один из которых подвергался у-облучению. Сопоставление наблюдавшихся на большинстве окрашенных образцов небольших изменений q*, (как в ту, так и другую сторону от значений q*i для неокрашенных образцов) с изменениями оптических характеристик свидетельствовало об определяющем влиянии на результаты измерений неоднородности исходных кристаллов и необходимости выполнения всего цикла измерений на одних и тех же высокопороговых образцах с низкими значениями С.

Окрашивание высокопороговых образцов приводило к единообразному характеру изменений оптических характеристик: /3(10.6) возрастали от исходных значений (1-1.5)х10-3 см-' до (2.3-3.1)х10'3 см1, а />(0.63) и />(10.6) - соответственно в 3 - 500 и 20 -150 раз, 1ф уменьшалась в 5 - 350 раз, a q*, практически не менялись, оставаясь на уровне 5-10 ГВт/см2. Обесцвечивание образцов приводило к восстанавливанию значений /?(10.6) и уровней рассеяния, а также возрастанию до уровней, меньших исходных значений до окрашивания. После обесцвечивания наблюдались более низкие q*j, составлявшие 40 - 60% от значений q*t для неокрашенных образцов.

Окрашивание и обесцвечивание кристаллов не приводило к изменениям морфологии разрушения кристаллов. Во всех случаях, как и до окрашивания, образовывался один очаг разрушения. Это позволило считать, что ни окрашивание /-квантами, ни обесцвечивание не приводит к образованию новых низкопороговых ПН. Возможно, что уменьшение q*l при обесцвечивании кристаллов (если это не связано с тривиальной их неоднородностью) обусловлено либо изменением параметров исходных ПН, либо механической прочности материала, по крайней мере, вблизи ПН.

Ни для высокопороговых, ни, тем более, для низкопороговых образцов окрашивание не приводит к корреляции порогов пробоя ни с одной из исследованных оптических характеристик.

Поскольку избыточное поглощение ЩГК обычно связывают с наличием в них кислородсодержащих молекулярных анионов, с целью выяснения зависимостей характеристик NaCI и К.С1 от концентрации ионов Si03 исследовано влияние легирования этими ионами на пропускание кристаллов в интервалах 170 - 280 им и 2 - 15 мкм, спектры поглощения в области 9.2 - 10.8 мкм и q* при диаметре облучаемого пятна 0.25 мм. Примесь вводилась в шихту в виде Na:Si03. Концентрация ионов БЮз2- в расплавах менялась в интервале 0.04 -

0.19%. Проведено сопоставление уровней пропускания в максимумах полос поглощения 185 нм для NaCl и 204-нм для KCl, зависящих от содержания ОН", и /7(10.6). Обращено внимание на возможность появления корреляции q* с /3(10.6) и другими контролировавшимися оптическими характеристиками образцов.

Результаты анализа экспериментальных данных свидетельствуют о том, что легирование кристаллов ионами Si03*" практически не отражается на спектрах пропускания кристаллов в ВУФ и И К областях спектра, приводит к изменениям спектров поглощения в области 9.2 - 10.6 мкм, росту и снижению q*, причем характер влияния этой примеси на свойства NaCl и KCl различен. Введение Si032 B KCl существенно меняет/? (10.6) (от значений (0.4-0.8)х10-3см-', для нелегированных образцов до значений, нарастающих с ростом концентрации примеси от 1.5x1 (И до 20х10"3 см-') и практически не влияет на значения q*, слабо отличавшиеся у нелегированных (30 МВт/см2 ) и легированных (12 -50 МВт/см2) образцов. Наоборот, введение БЮз2- в NaCl снижает q* от 200 -900 МВт/см2 до 30 МВт/см2, слабо влияя на /7(10.6), значения которого располагаются в пределах (1.2 - 1.7)х10"3 см-' для нелегированных и (3-4.5)х10 3 см-1 для легированных образцов.

Корреляции/?(10.6), уровней пропускания в ВУФ области спектра и q* не наблюдается. Это свидетельствует о том, что в исследованных образцах значения /7(10.6) и инициирование пробоя определяются не концентрацией ОН", а концентрацией вводившегося БЮз2" или других, неконтролируемых примесей.

Различие влияния БЮз2" на /7 (10.6) кристаллов NaCl и KCl, по-видимому, связано с тем, что в последний эта примесь, по крайней мере, в виде Na2Si03 входит легче, чем в NaCl. При этом q* кристаллов NaCl при минимальных значениях концентрации вводимой примеси Si03 ' снижается в 30 раз (до значений q* нелегированного KCl) и не меняется при дальнейшем ее росте. Отсутствие плавной зависимости q * для исследованных кристаллов от концентрации 8Юз2"03начает, что как в образцах нелегированного KCl, так и в образцах NaCl, начиная с минимальных концентраций поглощающей примеси, концентрации опасных ПН настолько велики, что вероятность попадания хотя бы одной из них в пределы облучаемой области близка к единице. В связи с этим дальнейший рост концентрации ПН с ростом концентрации БЮз2" к снижению q* не приводит.

Полученные результаты подтверждают ранее сделанный вывод о том, что наличие в кристаллах кремний-содержащих ионов ведет не только к росту >9(10.6), но и к образованию ПН, определяющих величину q*. При этом при одинаковых концентрациях Si032" в расплавах у образцов NaCl наблюдается значительно меньший рост /7(10.6), чем у KCl. Тем не менее, наличие БЮз2" существенным образом сказывается на свойствах NaCl, что проявляется в резком снижении q'*.

5. Исследование локализации поглощающих неоднородно-стей, инициирующих развитие НОП, в поверхностном слое прозрачного диэлектрика и зависимости порога пробоя от угла падения поляризованного излучения [4,19,24,26-33,35,44]

,С целью получения данных, свидетельствующих о том, что развитие низкопорогового оптического пробоя (НОП) у поверхности прозрачного диэлектрика инициируется ПН, а не наличием на поверхности оптического элемента поглощающего слоя адсорбата (например, слоя адсорбированной воды), и выяснения локализации в поверхностном слое (под поверхностью или над нею) опасных ПН проведены исследования размерных зависимостей порога НОП у поверхности ЩГК в том числе на границе раздела кристалл - жидкость, микроскопические исследования очагов повреждения поверхности, сопоставление порогов пробоя в объеме и на поверхности образца и исследования зависимостей порох а НОП ог угла падения ¡р на поверхность диэлектрика поляризованного излучения. Исследования угловых зависимостей порогов повреждения поверхностей оптических элементов представляли также самостоятельный интерес, с точки зрения возможности прогнозирования их лучевой прочности при произвольных <р по результатам измерения при ср = 0.

Наряду с неоднократно проводившимися в рамках выполнения настоящей работы исследованиями размерной зависимости порогов НОП у поверхности ЩГК в интервале значений облучаемого пятна от 0.25 до 4 мм, свидель-ствующими о резком снижении порога с ростом пятна, проведены измерения порогов пробоя на границе контакта пластины ВаР: с водой, ССЬ (жидкостями с коэффициентами поглощения, отличающимися в 10 раз) и воздухом при размерах облучаемого пятна ~ 0.12 и 0.25 мм. Выяснено, что порог плазмообразования зависит от размера пятна и практически не меняется (несмотря на существенное различие условий на границах кроисгалл - воздух и кристалл - вода) при смене контактирующей с кристаллом среды. Полученный результат свидетельствует о том, что порог пробоя во всех трех случаях определяется свойствами ПН поверхностного слоя образца.

Рассчитаны зависимости порогов повреждения передней и тыльной поверхностей пластины прозрачного диэлектрика, обусловленного нагревом ПН поверхностного слоя лазерным излучением, от (р, поляризации излучения и локализации ПН в поверхностиых слоях (на поверхности или под нею) пластины. С точки зрения условий облучения, рассмотрены четыре типа ПН, локализованных в поверхностных слоях передней (ПН типа 1 и 3) и тыльной (ПН типа 2 и 4) поверхностей пластины. Считалось, что на пластину падает излучение с интенсивностью (/*, в поверхностных слоях пластины содержатся ПН одного сорта (размером й«Яис характерным порогом д*т). причем пробой развивается, когда интенсивность воздействующего на ПН излучения достигает значения д*т. Это означает, что излучения, падающего на пластину, достигает значения д*, которое может быть рассчитано и определено эксперимен-

тально. В этих условиях, например на ПН, локализованную непосредственно под передней поверхностью (ПН типа 1), воздействует излучение с = д{\ - ЯХсоэ <р1соъх), где % * угол преломления, а Я - коэффициент отражения, тогда как ПН, локализованная на передней поверхности (ПН типа 3), находится в поле интерферирующих падающей на поверхность и отраженной от нее волн.

С учетом формул Френеля для коэффициентов отражения получены ц*(<р) как для случаев воздействия на ПН излучения (я- и р- поляризаций), прошедшего только через переднюю (ПН типа 1), а также через переднюю и тыльную поверхности (ПН типа 4), так и для случаев, когда на ПН воздействуют результирующие поля интерферирующих волн указанных поляризаций вблизи передней (ПН типа 3) и тыльной (ПН типа 2) поверхностей пластины. Определены также отношения порогов пробоя передней и тыльной поверхностей пластины, обусловленных нагревом ПН для обоих типов их локализации.

Экспериментально показано, что в соответствии с расчетом при <р - О для широкого круга кристаллов с п= 1.29 - 3.4 отношения порогов появления микроразрушений, вспышек свечения и плазмы для передней и тыльной поверхностей равны [2п/(п+1)р. Показано также, что при произвольных значениях <р пороги повреждения тыльной поверхности пластины поляризованным излучением ниже порогов повреждения ее передней поверхности во всем интервале 0-90°. В случае же воздействия /^поляризованного излучения отношение порогов повреждения передней и тыльной поверхностей описываются либо убывающей (с ростом <р) функцией (расчет для ПН типа 3 и 4), либо немонотонной функцией (расчет для ПН типа 1 и 2) в этом интервале значений <р.

Пороги повреждения передней и тыльной поверхностей пластины при произвольных значениях <р могут быть спрогнозированы для случаев воздействия и р-поляризованного излучения на основе результатов проведенных расчетов и экспериментальных данных для порога разрушения передней поверхности при <р = 0. Проведен расчет д*(<р) для №0 и измерены пороги повреждений передней и тыльной поверхностей оптически полированной пластины ИаС1 при (р — 0 и 45° . Получено удовлетворительное согласие результатов эксперимента с кривыми, соответствующими ПН, локализованным непосредственно под поверхностью пластины. Это означает, что развитие пробоя инициируется ПН, локализованными непосредственно под поверхностью кристалла, причем последние и являлись наиболее низкопороговыми ПН в проведенных экспериментах.

Продемострировано снижение порога повреждения поверхности пластины ЫаС1 и изменение характера его зависимости от ср при нанесении на поверхность частиц (например, поглощающих частиц 8Юг) с порогами заведомо более низкими, чем порог ПН, инициировавших развитие пробоя вблизи исходной "чистой" поверхности пластины. Таким образом моделировалось оседание пыли на поверхность оптического элемента. Измерения порогов в усло-

виях воздействия импульсов ^-поляризованного излучения при р = 0и 45° на переднюю поверхность показали, что для исходного состояния поверхности ¿/*Л1|(450)Д/*„||(0") = 1.2 + 0.3, что согласуется с величиной ?*л|(45°)/^*л|(00) =. 1.2. Здесь #*„|Г измеренный порог повреждения передней поверхности под действием /^-поляризованного излучения, а </*/п - рассчитанный порог повреждения передней поверхности при нагреве ПН типа 1 излучением той же поляризации. После нанесения частиц пороги снизились в ~ 2 раза и их отношение I/*„11(45°)/<7*„11(0°)=0.7 ± 0.2 приблизилось к величине ^*,[|(45||)Д/*л|(0") = 0.65, отвечающей случаю развития пробоя, обусловленного нагревом ПН типа 3, локализованных на передней поверхности.

Вывод об определяющей роли ПН, локализованных под поверхностью оптического элемента, в развитии НОП согласуется с результатами микроскопических исследований повреждений, образующихся на поверхности ЩГК (в виде сетки трещин по плоскостям спайности) при облучении сверхпорговыми лазерными импульсами. Часть этих трещин на поверхности является результатом их прорастания от располагающихся под поверхностью микроразрушений, аналогичных наблюдаемым при исследовании пробоя в объеме ЩГК, обусловленного нагревом содержащихся в них ПН. Подобные ПН, расположенные вблизи поверхности (на глубине 10-30 мкм), в ряде случаев являютсям причиной образования микрократеров. Причиной растрескивания поверхности являются также зерна абразива, внедренные в поверхностный слой при обработке. В случае исследования сколов, облученных сверхпороговыми импульсами, обнаруживаются лишь трещины, проросшие к поверхности от микроразрушений, обусловленных ПН кристалла.

Подобные трещины на поверхности кристалла, успевающие прорасти до нее до достижения максимума лазерного импульса (при условии, что ц превышает некоторое критическое значение), являясь источником первичных электронов или паров, рассматриваются в качестве причины иницирования пробоя. При этом основная масса трещин на поверхности является следствием воздействия на нее плазмы пробоя.

Проведено сопоставление порогов образования микроразрушений в поверхностном слое оптически обработанных элементов и сколов и в объеме кристаллов ЫаС1. В отличие от обычно наблюдаемых при образовании макроскопических разрушений более высоких значений порогов пробоя в объеме (по сравнению с порогами пробоя поверхности), в проведенных экспериментах наблюдались более высокие значения порогов образования микроразрушений в поверхностном слое (по сравнению с порогами их образования в объеме). Полученные экспериментальные данные объяснены на основе результатов сопоставления вероятностей попадания опасных ПН в пределы облучаемых областей в объеме образца (вся каустика линзы) и в его поверхностном слое (малая часть каустики).

Удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных данных получено и в опытах, проведенных на пластинах Се. При этом, при воз-

действии л-поляризованного излучения и <р > 0 наблюдалось образование на передней поверхности пластины повреждений, значительная удаленность которых от облучаемой области позволяла связать их с воздействием на переднюю поверхность излучения, отраженного от тыльной поверхности образца. В соответствии с проведенным анализом такие повреждения могли быть обусловлены лишь воздействием на ПН, локализованные под передней поверхностью, результирующего поля интерференции пучка, падающего на нее со стороны тыльной поверхности (после отражения от последней), и пучка, еще раз отраженного от передней поверхности. Повреждения в результате интерференции появлялись даже в тех случаях, когда в пределах самой облучаемой области повреждения не образовывались, то есть при интенсивностях, допоро-говых для образования повреждений в пределах намеренно облучавшейся области. Как следует из расчета и результатов эксперимента в указанных условиях повреждается и тыльная поверхность.

Результаты проведенных исследований могут быть использованы для выбора условий работы пластин прозрачных диэлектриков в лазерных схемах, отвечающих наибольшему порогу пробоя, и определения локализации в поверхностном слое опасных ПН.

6. Исследование механизма снижения порога приповерхностного оптического пробоя водуха [5,8,10,11,13,17,29,34,43]

С целью выяснения механизма, ответственного за снижение порога оптического пробоя воздуха вблизи поверхности слабопоглощающего диэлектрика, проведены исследования допороговых вспышек свечения (ВС) поверхности ЩГК и эмиссии заряженных частиц с нее под действием лазерных импульсов, оценки температуры нагрева ПН поверхностного слоя и возникающих вблизи них термических напряжений, анализ литературных данных, посвященных исследованиям стимулированной механическими напряжениями экзоэлектрон-ной эмиссии и механоэмиссии (фрактоэмиссии), а также экспериментальное исследование снижения порога оптического пробоя воздуха вблизи поверхности кристалла, разрушаемого под действием удара.

Для выяснения особенностей допороговых явлений на поверхности ЩГК под действием импульсов излучения с hv = 0.117 эВ исследованы зависимости формы и интенсивности ВС - /вс, а также формы и амплитуды J импульсов тока, обусловленных эмиссией заряженных частиц с облучаемой поверхности, от q, величины и направления действующего на них внешнего электрического поля, порядкового номера N лазерного импульса, воздействующего на одно и то же место поверхности образца, от технологии обработки поверхности образца и характеристик кристалла. Исследования проведены в интервале значений q ~ 105 . 107 Вт/см2.

Форма и уровень сигналов при последовательном воздействии лазерных импульсов на то же самое или новое место образца не воспроизводятся. Обычно наблюдается несколько пиков ВС и тока при полной длительности

22

сигналов 5-10 мкс. Форма ВС отличается от формы импульсов тока. При наличии тянущего поля для отрицательно заряженных частиц более ярко выражен первый пик тока, максимум которого соответствует максимуму первого пика ВС и окончанию главного пика лазерного импульса. Результаты сопоставления оценок времен пролета электронов и ионов от мишени до первого динода вторичного умножителя, использовавшегося для регистрации частиц, с задержками максимумов тока относительно лазерного импульса позволяет считать первый пик тока обусловленным электронами.

Наиболие высокие значения 1„с и У наблюдаются у образцов с полированными поверхностями, наиболее низкие - в случае сколов кристаллов с высокими порогами образования микроразрушений. Исследована зависимость У от величины и полярности напряжения {/, приложенного между мишенью и первым динодом умножителя, - ] (Ц). Амплитуда первого пика импульса тока резко спадает с ростом тормозящего поля для электронов, а в области тянущих полей насыщается с ростом V. Результаты исследования У (II) свидетельствуют о том, что заметная доля эмитируемых электронов при # ~ 107 Вт/см2 обладает энергиями вплоть до ~ 50 эВ.

Повторные воздействия лазерных импульсов с неизменным значением </ на одно и то же место поверхности сопровождаются спадом 1„с и У. отражая усталостный характер зависимостей /яс (/V) и У (Дг). Зависимости У (</) при неизменных и и N = 1 резко нелинейны и могут быть представлены в виде У (</) ~ ц где п - 10-12. Зависимости 1вс (</) подобны наблюдающимся У (</).

Микроскопические исследования свидетельствуют о том, что свечение локализовано в отдельных точках поверхности. С ростом ц число светящихся центров (СЦ) резко растет. При повторных облучениях одного и того же места поверхности число СЦ падает и обычно меняется их локализация. Некоторые СЦ могут обнаруживаться при нескольких повторных воздействиях подобно наблюдавшемуся при исследовании ВС в объеме кристаллов.

Исследованы спектры допороговых ВС на поверхности ЫаС1 и К.С1. Измерения 1вс (Л) проведены при д ~ 10 Вт/см2 и трех значениях интегральной 1ес. В спектрах обнаружен ряд максимумов различной интенсивности, часть которых может быть отнесена к линиям элементов мишени, остальные - к линиям газов атмосферы. Величина 1вс сказывалась лишь на относительной интенсивности максимумов спектра.

Особенности исследованных допорог овых явлений - невоспризводимость формы сигналов, усталостный характер 1вс (К) и У (ДО, резкая суперлинейность Ьс (?) и (</)> локализация свечения в отдельных точках поверхности и вид спектров ВС, содержащих линии щелочных металлов мишеней, позволяют считать их обусловленными оптическим излучением плазмы разряда, развивающегося в микротрещинах поверхностного слоя и эмиссией заряженных частиц из них. Трещины же образуются при нагреве ПН, внедреДдонных при полировке и (или) связанных с технологией выращивания кристалла, под действием термических напряжений, многократно превышающих предел проч-

ности материала а*~ 20 кг/см2). В поверхностном слое даже при q ~105 Вт/см2 напряжения могут достигать величины -1000 кг/см2 » а*. Это связано с тем, что в соответствии с оценками температуры нагрева ПН поверхностного слоя и возникающих вблизи них термических напряжений, выполненых аналогично проведенным для ПН в объеме кристалла (глава 2), при одинаковых температурах нагрева тех и других термические напряжения вблизи ПН поверхностного слоя (непосредственно под поверхностью) в ~ 6 раз превосходят напряжения, возникающие вблизи ПН в объеме кристалла.

Полученные результаты послужили основанием считать, что возможной причиной снижения порога оптического пробоя воздуха у поверхности прозрачного диэлектрика является интенсификация с ростом q (вплоть до q > q*) процессов, приводящих к появлению микроочагов плазмы разряда в трещинах поверхностного слоя и затравочных электронов над поверхностью, необходимых для развития лавины.

Действительно, в развитии пробоя могут быть выделены две фазы: появление в фокальном объеме у поверхности мишени необходимой концентрации затравочных электронов и лавинообразный рост концентрации последних в электрическом поле излучения. В связи с этим параметры лазерного импульса должны удовлетворять двум условиям: плотность энергии Q}поглощенной ПН к моменту начала развития лавины,должна превышать уровень Q*0 , достаточный для появления необходимой концентрации затравочных электронов, а интенсивность излучения q в этот момент должна превышать некий уровень q„, достаточный для развития лавины в условиях наличия необходимой концентрации затравочных электронов.

При параметрах импульсов, характерных для использованного TEA СО2 лазера, снижение величины Q*0 (путем нанесения на поверхность низкопороговых ПН) приводило к снижению порога плазмообразования от исходного зна-чени q*~ 200 до ~ 50 МВт/см2, то есть условие q > q4 оставалось выполненным. Это позволило считать, что механизмы эмиссии заряженных частиц, способные обеспечить появление затравочных электронов при температурах, более низких, чем температуры, характерные для термоэмиссии (» 1000 К), рассматриваемой, например, в качестве основной причины появления затравочных электронов при оптическом пробое у поверхности металла, также могут рассматриваться в качестве возможной причины развития НОП при интенсив-ностях излучения, удовлетворяющих условию q > q„.

Проведена экспериментальная проверка влияния трещинообразования на поверхности прозрачного кристаллического диэлектрика на величину порога плазмообразования влизи нее q * в условиях облучения поверхности лазерными имульсами. При этом имелось в виду, что для выполнения первого условия развития пробоя (создания у поверхности необходимой концентраций затравочных электронов) может быть использован источник электронов, не связанный с лазерным излучением, например трещины, образующиеся при разрушении кристалла ударом. Удар грузом -250 г, падавшим с высоты - 30 см, приводил к интенсивному трещинообразованшо в образцах NaCl размерами

15x7x7 мм без раскалывания их на фрагменты. Разрушение кристаллов сопровождалось вспышками триболюминесценции, импульсами радиочастотного излучения и сигналами, наводимыми на обкладках конденсатора (между которыми помещался разрушаемый образец) и обусловленными его электризацией. Запуск лазера осуществлялся таким образом, что момент воздействия его им-зульса соответствовал максимальному темпу трещииообразования максимальным уровням указанных сигналов).

При надлежащей синхронизации наблюдалось существенное снижение ц* юздуха вблизи поверхности деформируемого образца. При диаметре облу-шемой области с1 ~ 0.25 мм и отсутствии образца ц* = 1300 ± 300 МВт/см2, а фи распространении пучка параллельно одной из граней деформируемого образца на расстоянии от нее ~ (1 наблюдались значения д* = 300 МВт/см2. В условиях фокусировки излучения на одну из граней </* снижался при с1 ~ ).25 мм от 170 ± 20 МВт/см2 (для недеформируемого кристалла) до 90 МВт/см2, I при с/ ~ 0.5 мм соответственно от 130 ± 20 МВт/см2 до 70 МВт/см2. В услови-IX отсутствия механического воздействия на образец или нарушенной синхро-шзации столь низких значений д* не наблюдалось. Путем прямых измерений юказано также, что в условиях трещииообразования, приводящих к снижению юрога пробоя приповерхностного слоя воздуха, наблюдается рост его элек-гропроводности, свидетельствующий о появлении свободных заряженных час-~иц.

Измерены д* и 1„с, для ряда образцов с различной чистотой обработки юверхности. Обнаружено наличие корреляции д* и 1Ж . Предложен способ фогнозирования д* оптических элементов по результатам измерений !,„ и со-юставления полученных данных с результатами исследования зависимости, :вязывающей пороги НОП и уровни интенсивности допорогового свечения ц1я эталонных образцов того же материала.

Г. Исследование спектров свечения, сопровождающего обра-ювание микроразрушений в объеме, и допорогового свече-1ия поверхности ЩГК [12,15-18,25]

Ввиду известных литературных данных, свидетельствующих о тепловой фироде вспышек свечения (ВС), сопровождающих образование макроскопиче-ких разрушений при оптическом пробое в объеме прозрачных диэлектриков, г дискуссионности природы доиороговых ВС поверхности при лазерном облу-[ении проведено сопоставление спектров ВС, сопровождающих формирование гакроразрушений в объеме, и допорогового свечения поверхности ЩГК со пектрами триболюминесценции в традиционных условиях ее возбуждения. Обращено внимание на изменение спектров ВС с ростом д.

В спектрах триболюминесценции, возбуждаемой ударом по кристаллу [адающего груза, наряду с хорошо известными максимумами, соответствую-цими полосам N2, наблюдаются линии щелочного металла решетки кристалла,

подтверждающие теоретически предсказанную определяющую роль ионов щелочного металла в развитии разряда в трещинах, прорастающих в объеме ЩГК. Осциллографирование импульсов триболюминесценции в различных областях спектра и результаты экспериментов по дроблению кристаллов в жидкостях, препятствующих контакту кристаллов с атмосферой, свидетельствуют о том, что полосы N2 обусловлены развитием разряда в приповерхностных трещинах, а линии щелочного металла - развитием разряда преимущественно в трещинах, прорастающих в объеме кристалла.

В спектрах ВС, сопровождающих образование микроразрушений в объеме кристаллов при лазерном облучении, при интенсивностях излучения, близких к порогу, наблюдаются максимумы, отвечающие линиям щелочных металлов и элементов примесей, входящих в состав ПН. Рост интенсивности лазерного излучения ведет к снижению интенсивности максимумов спектра на фоне континуума. Отличие спектров свечения в объеме ЩГК при лазерном возбуждении от спектров их триболюминесценции, возбуждаемой традиционными методами, объяснено тем, что при растрескивании кристаллов под действием удара примеси, входящие в состав ПН, могут лишь случайно попадать в раскрывающиеся трещины и тем самым оказывать лишь слабое влияние на развитие в них разряда, тогда как при лазерном разрушении кристаллов ПН являются центрами интенсивного трещинообразования, в связи с чем содержащиеся в них примеси должны проявляться в спектрах свечения.

В спектрах допорогового свечения поверхности наряду с упомянутыми максимумами, соответствующими линиям щелочного металла решетки кристалла, наблюдаются максимумы, отвечающие линиям и полосам газов воздуха, в частности,полосам N2, и свидетельствующие об участии в процессах развития разряда в приповерхностных трещинах газов окружающей атмосферы.

8. Исследование процессов, сопровождающих образование макроскопических разрушений поверхности оптических элементов из ЩГК в условиях развития приповерхностного оптического пробоя [1,3-5,31,32,36,38]

Для выяснения причины, вызывающей макроскопическое растрескивание поверхности оптических элементов, изготовленных из ЩГК, в условиях воздействия импульсов излучениия СОг лазера, сверхпороговых для инициирования плазмы приповерхностного пробоя, исследованы последовательность развития процессов формирования непрозрачности плазмы и роста рассеяния, обусловленного образованием трещин в поверхностном слое кристалла, а также его растрескивания под действием лазерной плазмы в условиях, исключающих попадание на поверхность лазерного излучения, и под действием импульсов вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения электрического разряда.

В ходе исследований процессов, сопровождающих образование плазмы низкопорогового пробоя воздуха у поверхности NaCl и KCl, установлено, что

сигналы, соответствующие росту рассеяния и уменьшению отражения зондирующего излучения от исследуемой поверхности кристалла при ее макроскопическом растрескивании, запаздывают на ~ 30 не относительно начала импульса свечения плазмы и начала ее оптической непрозрачности, регистрируемого по 01 сечке лазерного импульса, проходящего через плазму. Полученный результат свидетельствует о том, что макроскопическое растрескивание поверхности кристалла обусловлено воздействием на нес плазмы пробоя.

Измерены пороги образования областей макроскопического растрескивания полированных поверхностей и сколов промышленных и легированных кристаллов (0.2 -1.5 Дж/см2) под действием импульсов ВУФ излучения, исследована морфология растрескивания, проведено их сопоставление с наблюдаемыми порогами (5-15 Дж/см2) и морфологией разрушения кристаллов под действием лазерных импульсов.

Более низкие значения порогов разрушения поверхности кристаллов под действием ВУФ излучения и сходство морфологий растрескивания при обоих видах облучения дают основания считать, что формирование областей макроскопического разрушения в условиях воздействия на поверхность кристаллов лазерных импульсов, сверхпороговых для развития оптического приповерхностного пробоя воздуха, может быть объяснено растрескиванием поверхностного слоя под действием термоупругих напряжений, возникающих при его нагреве ВУФ излучением плазмы. Показано, что инициирование лазерных волн поглощения плазмой приводит к немонотонному характеру зависимости интенсивности и размера области растрескивания от д.

Экспериментально продемонстрировано образование трещин на поверхности полированных пластин и сколов, аналогичных образующимся при приповерхностном пробое, под действием лазерной плазмы в условиях, исключающих воздействие на поверхность самого лазерного излучения, инициирующего плазму.

Основные результаты и выводы

1.1. Порог оптического пробоя в объеме прозрачного диэлектрика, содержащего ПН одного типа, мо^жет быть определен на основе результатов ис-следованиия зависимости числа образующихся микроразрушений в объеме образца от интенсивности излучения при облучении его пучком с гауссовым распределением интенсивности излучения по сечению. Предложенный способ позволяет определять не зависящее от размера облучаемого пятна значение порога образования микроразрушения, концентрацию ПН и размерную зависимость порога оптического пробоя с заданной вероятностью его развития. Параметр гауссового распределения пучка в объеме прозрачного диэлектрика может быть определен на основе результатов измерений радиусов треков, в пределах которых образуются микроразрушения, при двух значениях интенсивности излучения.

1.2. Известный метод измерения порога пробоя, основанный на фиксировании интенсивности излучения в момент времени, соответствующий отсечке части импульса, поглощаемого плазмой, в случаях инициирования пробоя нагревом ПН дает завышенные значения пороговой интенсивности излучения.

2.1. Нагрев ПН в объеме ЩГК до температур (соответствующих поглощению ~ 25 % энергии околопорогового импульса TEA СОг лазера), нфревос-ходящих 1000 °С, приводит к растрескиванию окружающего материала под действием термических напряжений и сопровождается вспышкой свечения и ростом рассеяния. Дальнейший нагрев вследствие поглощения основной доли энергии импульса приводит к плавлению и испарению материала и формированию микроразрушений в виде пор размерами 5-50 мкм с окружающими их трещинами.

2.2. При интенсивностях излучения, близких к порогу их регистрации (106-107 Вт/см2), вспышка состоит из нескольких неперекрывающихся пичков длительностью -100 не, а ее полная длительность (5-10 мке) существенно превосходит длительность лазерного импульса (-1.5 мкс). Рост интенсивности излучения ведет к росту числа, амплитуды и перекрытия пичков. Характер кинетики вспышек свечения и ее подобие в коротковолновой и длинноволновой областях спектра, а также низкие температуры ПН к началу вспышки непротиворечиво объясняются в рамках механизма свечения, сходного с триболюми-несценцией ЩГК.

2.3. Основной рост рассеяния в пределах облучаемой области (в 10 - 100 раз), сопровождающий развитие пробоя в объеме ЩГК с образованием микроразрушений, соответствует интервалу времени, в пределах которого наблюдаются наиболее интенсивные пички свечения и наиболее высокие скорости роста размеров микроразрушений, что согласуется с представлениями о трибо-люминесцентной природе свечения, сопровождающего образование трещин.

3.1. Преобладающая часть центров рассеяния, обнаруживаемых в ЩГК средствами оптической микроскопии, не относится к числу ПН, определяющих величину порога пробоя под действием импульсов СО2 лазера.

3.2. Оптический пробой в объеме ЩГК инициируется ПН, в состав которых входят Р, S, Se, Si (наиболее часто), образующие в кристаллах кислородсодержащие соединения, сильно поглощающие в области 10.6 мкм. Размеры ПН, инициирующих пробой в большинстве промышленных образцов, составляют - 1 - 3 мкм, а их концентрации — 104 - 105см-3.

3.3. Данные об элементном составе наиболее низкопороговых ПН в объеме образца могут быть получены на основе результатов анализа спектров свечения, сопровождающего образование микроразрушений при облучении образца импульсами с околопороговыми (для вспышек свечения) интенсивностя-ми излучения.

4.1. Результаты сопоставления поглощения в области 10.6 мкм (р= ДО-4 -Ю-2 см-1), рассеяния на Х- 0.63 и 10.6 мкм и интенсивности фотолюминесценции

в видимой области спектра (менявшихся в широких пределах), а также порогов пробоя (107 - 10ю Вт/см2) и морфологии разрушения свидетельствуют о том, что в исследованных "чистых", промышленных, легированных и окрашенных /-квантами ЩГК пороги пробоя, инициируемого ПН, не коррелируют с результатами измерения оптических характеристик, зависящих от общего содержания примесей. Отсутствие указанной корреляции затрудняет прогнозирование лучевой прочности.

4.2. Окрашивание ЩГК /-квантами сопровождается резкими изменениями интенсивности люмиинесценции, ростом рассеяния и поглощения на Я = 10.6 мкм, но практически не влияет на величину порога.

4.3. Результаты исследования влияния легирования ЫаС1 и КС1 ионами БЮз2" на коэффициенты поглощения на Л = 10.6 мкм и пороги пробоя свидетельствуют о том, что значение коэффициента поглощения определяется концентрацией вводимой поглощающей примеси, а величина порога - характеристиками ПН, зависящими от степени неоднородности распределения примеси. Один из способов повышения лучевой прочности - обеспечение возможно более однородного распределения примесей по объему кристалла, исключающего образование ПН.

4.4. Поглощение промышленных образцов К!аС1 и КС1 в среденй ПК области спектра и пороги их пробоя не коррелируют с концентрацией ионов 01Г.

5.1. Существование размерной зависимости порога плазмообразования у поверхности кристалла при измерениях на воздухе и условиях ее контакта с поглощающей жидкостью (водой) и совпадение порогов пробоя при одних и тех же размерах облучаемого пятна свидетельствуют об инициировании пробоя ПН поверхностного слоя.

5.2. Ответ на вопрос о локализации в поверхностном слое (над поверхностью или под нею) прозрачного диэлектрика ПН, определяющих порог оптического пробоя, может быть получен путем исследования зависимости порога от угла падения на поверхность р-поляризованного излучения и сопоставления экспериментальных данных с результатами расчета угловых зависимостей порогов пробоя, инициируемого ПН, локализованными под поверхностью и над нею. Данные о локализации опасных ПН позволяют прогнозировать угловые зависимости порогов пробоя для передней и тыльной поверхностей элементов лазерной оптики. В преобладающем числе случаев пробой воздуха у поверхности ЩГК под действием импульсов СО: лазера инициируется ПН, локализованными под поверхностью и обусловленными технологией выращивания кристалла и внедрением поглощающих частиц при ее обработке.

5.3. Нанесение на поверхность прозрачного диэлектрика сильно поглощающих частиц, моделирующих наличие на ней ПН (например, пыли), приводит к снижению порога пробоя, сопровождаемому изменением характера зависимости последнего от угла падения излучения на поверхность.

5.4. Существование размерной зависимости порога пробоя отражается на результатах его измерения при углах падения, существенно отличных от ну-

ля, и при измерениях в условиях воздействия заведомо свехпороговых ицтен сивностей излучения.

5.5. В условиях облучения пластины прозрачного диэлектрика с высоки! показателем преломления (например, Ge) при углах падения ,у - поляризован ного излучения, существенно отличных от нуля, и интенсивностях излучения меньших порога разрушения ее передней поверхности, на ней может наблю даться образование разрушений за пределами исходного облучаемого пятна i области падения на нее пучка, отраженного от тыльной поверхности. Это свя зано с тем, что напряженность результирующего поля интерференции дву: волн (падающей на переднюю поверхность со стороны тыльной поверхности i отраженной от передней поверхности, находящихся в фазе), действующего н; ПН, локализованные непосредственно под передней поверхностью пластины оказываются выше напряженности поля в исходном пучке, прошедшем чере: переднюю поверхность.

6.1. Особенности допороговых вспышек свечения и эмиссии заряженны) частиц с поверхности ЩГК, исследованных при интенсивностях излучения 10 - 107 Вт/см2, позволяют считать их обусловленными оптическим излучении^ плазмы разряда, развивающегося в микротрещинах поверхностного слоя^ \ эмиссией заряженных частиц из них. В спектрах свечения наблюдаются мак симумы, соответствующие линиям щелочного металла мишени и полосам N2 Энергия регистрируемых электронов достигает десятков эВ.

6.2. Снижение порога оптического пробоя воздуха под действием им пульсов СОг лазера у поверхности ЩГК может быть обусловлено появление\ затравочных электронов в пределах облучаемого пятна в результате фракто эмиссии из трещин, образующихся в поверхностном слое вблизи ПН, нагре ваемых до температур, меньших 1000 °С.

6.3. Корреляция порога пробоя поверхности прозрачного диэлектрика и уровня допорогового ее свечения позволяют прогнозировать лучевую прочность поверхности оптических элементов по результатам измерения уровня ее допорогового свечения и сопоставления полученных данных с результатами исследования зависимости, связывающей пороговые интенсивности излучения и уровни допорогового свечения для эталонных образцов того же материала.

7.1. Спектр триболюминесценции ЩГК, возбуждаемой дроблением образца при ударе, определяется соотношением вкладов свечения разряда в трещинах различной локализации. В трещинах, образующихся в объеме образца и изолированных от атмосферы, определяющую роль в развита разряда играют ионы щелочного металла решетки. Об этом свидетельствуют наблюдаемые в спектрах триболюминесценции NaCl и LiF надежно разрешаемые линии соответственно дублета Nal 589 и 590 нм иЬП 671 нм. В спектрах свечения разряда в трещинах, образующихся на поверхности образца, преимущественно обнаруживаются максимумы, соответствующие полосам N2 и обычно наблюдаемые в спектрах триболюминесценции и электрического разряда в азоте.

7.2. Результаты сопоставления спектров свечения, сопровождающего формирование микроразрушений в объеме кристалла, и допорогового свечения его поверхности при лазерном возбуждении со спектрамии триболюминес-ценции ЩГК при их дроблении обнаруживают как наличие сходства, так и отличий. В спектрах свечения в объеме наблюдаются линии щелочного металла решетки и элементов, входящих в состав ПН, а в спектрах допорогового свече- ' ния поверхности - линии щелочного металла и максимуммы, соответствующие полосам N1:. Особенности спектров свечения при лазерном возбуждении объяснены с учетом влияния на них примесей, содержащихся в ПН, и различия спектров свечения разряда в трещинах в объеме и на поверхности кристалла при триболюминесценции, возбуждаемой ударом.

8. Формирование макроскопических разрушении поверхности оптических элементов в условиях развития приповерхностного оптического пробоя

обусловлено растрескиванием поверхностного слоя под действием термических напряжений вследствие ею нагрева сильно поглощаемым вакуумным ультрафиолетовым излучением плазмы пробоя. В пользу этого вывода свидетельствуют:

• - запаздывание начала роста рассеяния, обусловленного образованием трещин, относительно момента появления у поверхности непрозрачной плазмы:

• - результаты экспериментов по наблюдению растрескивания поверхности в условиях контакта лазерной плазмы с поверхностью, исключающих попадание на нее лазерного излучения:

• - существенно большие размеры области растрескивания по сравнению с размерами облучаемого пятна,

• - результаты исследования растрескивания поверхности ЩГК под действием вакуумного ультрафиолетового излучения разряда в аргоне с пороговой плотностью энергии, существенно меньшей, чем при лазерном пробое.

Заключение

Результаты исследований, проведенных в соответствии с постав-ленными задачами, сводятся к следующему:

I. Разработан простой метод определения порога оптического пробоя в объеме прозрачного диэлектрика, инициируемого нагревом поглощающих не-одиородностей. В основу метода положено использование результатов анализа эксперимешально полученной зависимости числа микроразрушений, образующихся в пределах облучаемой области, от интенсивности излучения при облучении образца пучком с гауссовым распределением энергии по его сечению. Предложенный метод позволяет определять не зависящее от размера облучаемого пятна значение порога образования микроразрушешш, концентрацию поглощающих неоднородностей и размерную зависимость порога пробоя исследуемого материала с заданной вероятностью его развития. Результаты же измерений радиусов треков, в пределах которых образуются микроразруше-

ния, при двух значениях интенсивности излучения позволяют определить параметр гауссового распределения.

2. Исследованы характеристики (кинетика, зависимость от интенсивности лазерного излучения, зависимость от числа импульсов, воздействующих на одно и то же место образца, пороги появления, спектры и локализация в пределах облучаемой области) вспышек свечения, рост рассеяния и формирование микроразрушений, сопровождающих развитие пробоя в объеме ЩГК под действием импульсов СОг лазера. Полученные результаты дают основания считать, что развитие пробоя инициируется нагревом поглощающих неодно-родностей до температур, нфревосходящих 1000 °С. Нагрев приводит к возникновению термических напряжений в окружающем неоднородность материале, существенно превышающих его предел прочности, началу растрескивания, сопровождаемому вспышкой свечения, сходного по природе с триболю-минесценцией, и росту рассеяния. Дальнейший нагрев вследствие поглощения основной доли энергии импульса приводит к плавлению и испарению материала, формированию микроразрушения и прорастанию окружающих его трещин. Основной рост рассеяния соответствует интервалу времени, в пределах которого наблюдаются наиболее интенсивные пички вспышки свечения и наиболее высокие значения скорости роста размера микроразрушения.

3. Выяснено, что преобладающая часть центров рассеяния, обнаруживаемых в промышленных ЩГК средствами оптической микроскопии, не относится к числу поглощающих неоднородностей, определяющих величину порога пробоя под действием импульсов СОг лазера. Оптический пробой в объеме ЩГК инициируется неоднородностями, которые представляют собой микрообласти с повышенными концентрациями Р, Б, 5е, 51, образующими в кристаллах кислородсодержащие соединения, сильно поглощающие в средней ИК области спектра. Размеры неоднородностей составляют 1 - 3 мкм, а их концентрации достигают 104 - 105 см-3 . В преобладающем числе случаев повреждение поверхности кристаллов инициируется поглощающими неоднородностями, локализованными в поверхностном слое под поверхностью. К их числу могут относиться, как упомянутые неоднородности, инициирующие развитие пробоя в объеме кристалла, так и зерна абразива, внедренные в поверхностный слой при обработке.

4. Проведено сопоставление коэффициентов поглощения в области 10.6 мкм (Ю-4 - 10"2 см-'), рассеяния на Л = 0.63 и 10.6 мкм и интенсивности фотолюминесценции в видимой области спектра (менявшихся в широких пределах), а также порогов пробоя (107 - 1010 Вт/см2) и морфологии разрушения. Показано, что в исследованных "чистых", промышленных, легированных и окрашенных ^квантами ЩГК пороги пробоя, инициируемого ПН, не коррелируют с результатами измерения оптических характеристик, зависящих от общего содержания примесей. Отсутствие указанной корреляции затрудняет прогнозирование лучевой прочности.

5. Проведены исследования процессов, протекающих на поверхности кристалла при облучении импульсами СО2 лазера в широком интервале значений интенсивности излучения. Результаты исследования,характеристик допо-роговых вспышек свечения поверхностии ЩГК и эмиссии заряженных частиц с нее позволяют считать их обусловленными оптическим излучением плазмы электрического разряда, развивающегося в микротрещинах поверхностного слоя, и эмиссией заряженных частиц из них (фрактоэмиссией). Образование-микротрещин обусловлено термическими напряжениями, возникающими вблизи нагреваемых лазерным излучением поглощающих неоднородностей поверхностного слоя. Наличие поглощающих неоднородностей в поверхностном слое может быть связано с технологиями выращивания кристаллов и обработки их поверхности. Интенсификация этих процессов с ростом интенсивности лазерного излучения может приводить к тому, что в пределах облучаемого пятна при превышении некоторого порога оказываются выполнеными условия развития приповерхностного оптического пробоя воздуха. При этом, формирование макроскопических разрушений поверхности оптических элементов в условиях развития приповерхностного оптического пробоя обусловлено растрескиванием поверхностного слоя под действием термических напряжений, возникающих вследствие его нагрева сильно поглощаемым вакуумным ультрафиолетовым излучением плазмы пробоя.

Таким образом, результаты проведенных исследований внесли существенный вклад в формирование представлений о начальной стадии развития оптического пробоя в объеме ЩГК импульсами излучения СО: лазера и процессах, протекающих на поверхности кристаллов в широком интервале интен-сивностей излучения. Самостоятельный интерес представляют конкретные данные о параметрах ПН и оптических характеристиках кристаллов, позволившие сделать вывод об отсутствии корреляции оптических характеристик и порогов пробоя. Разработанные экспериментальные методы открывают возможность для определения основных параметров лучевой прочности путем обработки результатов ограниченного числа воздействия на среду лазерных импульсов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Догадов В.В., Смирнов В.Н. Воздействие плазмы оптического пробоя на кристаллы NaCl и KCl. ЖТФ, 1976. т. 46, N 10, с. 2225-2227.

2. Крутякова В.П., Смирнов В.Н. Исследования природы свечения щелочно-галоидных кристаллов под действием импульсов излучения с Л= 10.6 мкм. Письма в ЖТФ, 1976, т. 2, N 24, с. 1111-1114.

3. Догадов В.В., Смирнов В.Н. Исследование плазмы оптического пробоя и ее воздействия на поверхность кристаллов NaCl и KCl. ЖТФ, 1977, т. 47, N 3, с. 447-450.

4. Раихман Б.Л., Смирнов В.Н. Размерная зависимость порога оптического пробоя вблизи поверхности твердого тела под действием импульсов излучения с Л -10.6 мкм. ЖТФ, 1977, т. 47, N 8 с. 2012-2015.

33

5. Крутякова В.П., Смирнов В.Н. Исследование природы свечения поверхности ще-лочно-галоидных кристаллов под действием импульсов излучения с Л = Ю.б мкм. Письма в ЖТФ, 1977, т. 3, N 22, с. 1190-1195.

6. Букова Е.С., Дорофеев В.Г., Карева В.А., Макин B.C., Смирнов В.Н. Поглощение щелочно-галоидных кристаллов в области 10.6 мкм. ОМП, 1977, N 12, с. 29-30.

7. Крутякова В.П., Смирнов В.Н. Свечение кристаллов под действием импульсов излучения с Х- 10.6 мкм. ЖТФ, 1978, т. 48, N 4, с. 844-852.

8. Смирнов В.Н., Смирнов Вл.Н. Анализ характера напряженного состояния прозрачного диэлектрика, обусловленного нагревом поглощающих включений импульсами оптического излучения. ЖТФ, 1978, т. 48, N 4, с. 860-863.

9. Дорофеев В.Г., Карева В.А., Макин B.C., Смирнов В.Н. Поглощение кристаллов КРС-5 и КРС-6 в области 10.6 мкм. ОМП, 1978, N 6, с. 35-36.

10. Смирнов В.Н. Один из возможных механизмов снижения порога оптического пробоя воздуха вблизи поверхности твердого тела. ЖТФ, 1978, т. 48, N 9, с. 19771979.

11. Крутякова В.П., Смирнов В.Н. Эмиссия электронов с поверхности кристаллов хлористого натрия под действием импульсов излучения СОг лазера. Письма в ЖТФ, 1978, т. 4, N 19, с. 1163-1167.

12. Крутякова В.П., Смирнов В.Н. Спектры триболюминесценции щелочно-галоидных кристаллов. ЖПС, 1979, т. 30, N 5, с. 846-849.

13. Крутякова В.П., Смирнов В.Н. Эмиссия электронов при воздействии импульсов излучения СОг лазера на щелочно-галоидные кристаллы. ЖТФ, 1979, т. 49, N 9, с. 1928-1932.

14. Крутякова В.П., Смирнов В.Н. Сопоставление кинетики роста рассеяния и вспышек свечения в щелочно-галоидных кристаллах под действием импульсов излучения С02 лазера. ЖТФ, 1979, т. 49, N 12, с. 2647-2651.

15. Крутякова В.П., Смирнов В.Н. Спектры свечения в об)еме щелочно-галоидных кристаллов, содержащих поглощающие неоднородности, под действием импульсов излучения СОг лазера. ЖПС, 1980, т. 32, N 6, с. 1002-1008.

16. Крутякова В.П., Смирнов В.Н. Исследование локализации свечения различного спектрального состава при триболюминесценции кристаллов NaCl. ЖПС, 1981, т. 35, N6, с. 991-997.

17. Крутякова В.П., Смирнов В.Н. Спектры допорогового свечения поверхности щелочно-галоидных кристаллов под действием импульсов излучения СОг лазера. ЖТФ, 1981, т. 51, N8, с. 1671-1675.

18. Крутякова В.П., Смирнов В.Н. О нетепловой природе свечения в объеме щелоч-но-галоидных кристаллов под действием импульсов излучения СОг лазера. Квантовая электроника, 1981, т 8. N9, с. 2017-2020.

19. Имас Я.А., Калугина Т.И., Крутякова В.П., Смирнов В.Н. Электронномикро-скопическое исследование поглощающих неоднородностей в щелочно-галоидных кристаллах. Письма в ЖТФ, 1983, т. 9, N 3, с. 129-133. Исправление опечатки: Ibid. т. 9, N21, с. 1343.

20. Крутякова В.П., Смирнов В.Н. Оценка концентрации поглощающих неоднородностей и порогов оптического пробоя в объеме прозрачного диэлектрика. ЖТФ, 1983, т. 53, N3, с. 534-537.

21. Волкова Н.В., Крутикова В.П., Смирнов В.Н., Цирульник П.Н. Исследование • порогов оптического пробоя под действием импульсов СО2 лазера в щелочно-галоидных крисаллах. ОМП, 1983, N7, с. 10-13.

22. Крутикова В.П., Смирнов В.Н. Скорость роста очагов микроразрушений в ще-лочно-галоидных кристаллах под действием импульсов СОг лазера. ЖТФ, 1984, т. 54, N 2, с. 323-326.

23. Крутикова В.П., Смирнов В.Н. Влияние центров окраски на оптические свойства и пороги пробоя щелочно-галоидных кристаллов под действием импульсов СОг лазера. ОМП, 1984, N 2, с. 23-26.

24. Боич-Бруевпч A.M., Смирнов В.Н. Низкопороговый оптический пробой в поляризованном излучении. ЖТФ, 19S4, т. 54, N 11, с. 2184-2189.

25. Крутикова В.П., Смирнов В.Н., Файнберг J1.M. Спектроскопические исследования поглощающих неоднороностей в щелочно-галоидных кристаллах. ЖПС, 1984, т. 41, N5, с. 736-738.

26. Бонч-Бруевич A.M., Смирнов В.Н. Низкопороговый оптический пробой и повреждение поверхности мишени под действием импульсов поляризованного излучения СО; лазера. Изв. АН СССР, серия фнзич., 1985, т. 49, N 6, с. 1203-1207.

27. Калугина Т.И., Крутикова В.П..Смирнов В.Н. Исследование поглощающих не-однородностей во фтористом барии. ОМП. 1985, Т10, с. 34-35.

28. Смирнов В.Н. Исследование размерной зависимости порога оптического пробоя щелочно-галоидных кристаллов в гауссовом пучке. ЖТФ, 1986, т. 6, N 3, с. 542546.

29. Смирнов В.Н. Роль экзоэлектронной эмиссии в развитии оптического пробоя у поверхности диэлектрика. ОМГ1, 1986, N 7, с. 1-4.

30. Раихман Б.А., Смирнов В.Н. Пороги плазмообразования и повреждения поверхности твердого тела под действием импульсов излучения с Я = 10.6 мкм. ЖТФ, 1986, т. 56, N 11, с. 2276-2278.

31. Смирнов В.Н. Сопоставление порогов оптического пробоя в объеме и на поверхности кристаллов хлористого натрия. ЖТФ, 1987, т. 57, N 3, с. 523-530.

32. Смирнов В.Н. Зависимости порогов оптического пробоя поверхностей пластины прозрачного диэлектрика от угла падения поляризованного излучения. ЖТФ, 1988, т. 58, N 1, с. 114-120.

33. Бонч-Бруевич A.M., Смирнов В.Н. Зависимость порога оптического пробоя диэлектрика на фронте импульса от его амплитуды. ЖТФ, 1988, т. 58, N 5, с. 974-977.

34. Смирнов В.Н. Снижение порога оптического пробоя вблизи поверхности пластически деформируемого кристалла. Письма в ЖТФ, 1988, т. 14, N4, с. 316-321.

35. Смирнов В.Н. Размернаая зависимость порога плазмообразования под действием импульсов излучения СОз лазера на границе прозрачный диэлектрик - вода. Письма в ЖТФ, 1989, т. 15, N 13, с. 41-45.

36. Наумова II.II., [JyvOB A.M., Смирнов В.И. Расхрескивание поверхности щелочно-галоидных кристаллов под действием излучения сильноточного импульсного' разряда. ОМП, 1989, N 9, с. 15-17.

37. Крутикова В.П., Смирнов В.Н. Оптические свойства п пороги оптического пробоя щелочно-галоидных крисюллов в области 10.6 мкм. ОМП, 1990, N 8, с. 24-28.

38. Смирнов В.Н. Растрескивание поверхности пластины прозрачного диэлектрика, находящейся в контакте с лазерной плазмой. Письма в ЖТФ, 1994, т. 20, N 3, с. 711.

39. Смирнов В.Н. Кинетика вспышек свечения, сопровождающих образование микроразрушений в щелочно-галоидных кристаллах при воздействии импульсов излучения СО2 лазера. ЖТФ, (в печати).

40. Крутикова В.П., Райхман Б.А., Смирнов В.Н. Способ измерения порогов об)емного оптического пробоя прозрачных материалов. Авт. свидетельство N 1187023 от 20.12.83.

41. Крутикова В.П., Смирнов В.Н. Способ измерения порогов объемного оптического пробоя прозрачных материалов. Авт. свидетельство N 1475328 от 7.08.87.

42. Крутикова В.П., Смирнов В.Н. Способ определения состава поглощающих включений. Авт. свидетельство N 1522082 от 22.04.87.

43. Крутикова В.П., Смирнов В.Н. Способ прогнозирования порога оптического пробоя поверхности оптического элемента Авт. свидетельство N 1588112 от 15.09.88.

44. Бонч-Бруевич A.M., Смирнов В.Н. Способ определения локализации поглощающих неоднородностей в поверхностном слое прозрачного материала. Авт. свидетельство N 1635716 от 20,02.89.

45. Крутикова В.П., Смирнов В.Н. Способ определения радиуса эффективного пятна облучения. Авт. свидетельство N 1685146 от 28.03.89.