Разрушение прозрачных полимерных материалов при длительном импульсно-периодическом и непрерывном лазерном воздействии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ШСТИ1УТ

На правах рукописи

ГЛАУБЕРМАН Григорий Яковлевич

УДК 621.375.626

разрушение прозрачных полжерньх материалов при длительном шшьсно-перизд'ическсм и жпрерышал лазернсн воздеясгшл

01.04.08 - физика и химия плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой отепенн кандидата физико-математических наук

Москва - 1991

Работа выполнена в Институте проблем механики АН СССР

Научные руководители - кандидат физико - математических наук, ведущий н.учный сотрудник Пилипецкий Н.й.

- кандидат физико - математических наук, научный сотрудник Саванин С.Ю.

Официальные оппоненты: доктор физико - математических

ьаук Бендицкий A.A.

доктор технических наук Уляков П.И.

Ведущая организация: НИИ "Полюс"

Залита состог-ся ' ^ " 199/г. в_

часов на заседании специализированного совета К 063.91.06 при Московском физико - технической институте (г.Долгопрудный, Институтский пер., 9).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан -У/- 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико - математических наук Ковтун В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Известно, что стойкость полимерных материалов к мощному лазерному 'излучении в режиме шогократного воздействия существенно ниже, чем при однократном облучении. Этот факт установлен довольно давно однако до пс леднего времени систематически исследовались и в основном изучались закономерности лазерного разрушения прозрачных полимеров в режиме однократных импульсов. Интенсивное изучение лазерного разрушения при многократном воздействии началось сравнительно недавно. Учитывая практическое значение лазерной стойкости и закономерностей разрушения полимерных материалов в режиме многократных облучений, исследование этих вопросов представляется исключительно важным. Вместе с тем, эта область, . как и прежде, представляет большой интерес-и с точки зрения фундаментальной науки.

Цель работы г включается в проведении экспериментального исследования основных закономерностей лазерного разрушения полимеров при длительном непрерывном воздействии и воздействии серии лазерных импульсов, а именно: динамики лазерного разрушения в режиме многократных облучений,: зависимости лазерной стойкости от параметров и режима облучения, статистических закономерностей эффекта накопления; так же проведения исследования развития лазерной трещины при »многократном облучении.

Научная новизна диссертационной работы определяется тем; что в ней впервые:

- - Изложена новая методика построения функции распределения включений в материале по порогам пробоя, найден закон эволюции этой функции. Построена функция распределения и исследована ее эволюция для ШМА.

- Обнаружено, что чем больше частота следования лазерных импульсов, тем больше их требуется для разрушения полиыеров

(длительность имцульсов 10~^с). Установлено, что рост числа необходимых для лазерного разрушения импульсов обусловлен тепловой самодефокусировкой излучения.

- Обнаружено, что при разрушении прозрачных полимеров сканирующим пучком непрерывного- лазера существует скорость сканирования; отвечающая максимальной вероятности пробоя. Обнаружена н исследована тепловая само^ефокусировка лазерного излучения в органических стеклах.

- Исследовано развитие трещин в прозрачном полимере- при импульсно-периодичёском лазерном воэдействи..

Практическая ценность работы состоит в том, что:

- Полученные результаты можно использовать при создании оптически прочных к лазерному воздействию материалов.,

- Создана установка, позволяющая ¡дироко варьировать время лазерного воздействия (от 10"^ до I секунды) и получать болыцую статистику за короткое время работы.

- Появилась возможность получать в полимерах трещины с заданными параметрами, которые, например, могут быть использованы в качестве эталонов для дефектоскопов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на:

- У1 Всесоюзном съезде по механике;

- I Конференции по механике соц. стран. Прага 1987г.;

- УП Всесоюзной конференции по взаимодействия оптического излучения с веществом; Ленинград 1908 г.;

- I Всесоюзной школе-семинаре "Применение массспектромет-рии в биологии и медицине, Харьков 1989 г.;

- ХХХ1У научной конференции МЗТИ, Долгопрудный 1988 г.;

- на научных семинарах по взаимодействию излучения с веществом, ША АН СССР 1986-1989 гг.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 28 рисунков, библиографию из наименований. Полный объем диссертации страниц машинописного текста.

Содержание диссертации. *

Во введении обоснована актуальность г.роблеш, цель диссертационной работы и основные положения, вынссимые на защиту.

В первой главе проведен обзор работ по эффекту накопления и трещинам в лазерном разрукении полимеров. На основании опубликованных работ выявлены основные малоизученныэ вопросы, касающиеся динамики развития разрушения при многократных облучениях, елиянил на динамику разрушения и на лазерную стойкость параметров и режима облучения, статистики эффекта накопления.

Во второй главе проведены исследования функция распределения включения по порогам пробоя. Для описания эффекта, состоящего в монотонном снижении порога оптического разрушения при многократном воздействии на материал световыми импульсами с допороговой плотностью энергии, введены следующие понятия:

1) Критическое число импульсов -Л4.(£„)в одну точку образца, которое при фиксированной энергии импульса приводит к макроразрушению в образце с вероятностью 1/2.

2) Пороговая энергия разрушения с -ого импульса Е^ , при которой разрушение с вероятностью 1/2 возникает за фиксированное число импульсов .л/. , - .

3) 5ункция'распределения включений по порогам разрушения с

-V -ого импульса (с плотностью »^^^ИрЕ).

Приведен метод обработки экспериментальных данных (в частности зависимости вероятности разрушения от числа лазерных импульсов - Рис Л, зависимости логарифма критического числа импульсов в одну-точку образца от относительной плотности энергии лазерного импульса - Рис.2), позволяющий получить как ис-ходнуюфуккцию распределения 5 {£) , так и её эволюцию ^(с) . Для этого используется несколько вполне естественных гипотез:

а] Каждое включение можно адекватно охарактеризовать всего одной величиной - порогом 1-ш.щульсного разрушения £. (т.е. если на нем за один импульс выделится энергии больше, чем то 1гро1:— зойдет макрораэрушение окружаш'^и матрицы;

б) Порог разрушения является функцией номера импульса «л/(квазп-

непрерывной) и зависит, при фиксированной плотности световой онергии, только от одного параметра - начального порога разрушения включения ¿\ . Таким образом, функция = представляет собой 1-параметрическое семейство для ь„ех части в) Количество включений в любом фиксированном объеме материала вплоть до возникновения ыакротрещины не меняется.

Известно, что при сделанных предположениях вероятность разрушения на |Л/ -ый импульс при стрельбе в одну точку вычисляется как

Еь

Р = (I)

где V - засвеченный объем, - плотность всех инициирую^« включений в единице V , Еи - энергия одного импульса. Полагаем

о

Гипотез (а) и (б) достаточно, чтобы показать, что снимаемая в эксперименте зависиыость7у/1С(£у£'ь)( - порог сдноимцульс-ного пробоя материала) равносильна зависимости ^ (^¡•/¿^ для одного включения £ (л/, £<) .

Эксперимент показывает, что зависимость *Л/* С Е^ ) (рис.1) для хорошо описывается форцулоЛ

ехр{а,(*-£ь) (2)

Отсода деларч вывод, что для аналогичного диапазона для отдельной частицы зта зависимость имеет вид

ехр{а.(4- о)

СО-

•Из (I) и (3) следует формула, по которой получают вид функции из экспериментальных зависимостей Р^А/)

I

Учитывал инвариантность (4) относительного сдвига по

I-ОС. , получаем

- • ^_______

Эта формула описывает эволюцию пороговой энергии для включения. С её помощь«, учитывая гипотезу (в) можно •закон эволюции для функции распределения ^ (£)

Обработка экспериментальных данных подтвердила применимость изложенного метода гг строения как исходной функции распределения, так и её эволюции.'

В третьей главе*исследовалось разрушение прозрачных полимеров с разными временами лазерного облучения.

Оказалось, при непрерывном.облучении легче разрушить образец полимера, перемещая его в лазерном луче с определенной скоростью. Такое перемещение эквивалентно облучению каждого места образца импульсами с длительностью -¿^ = с^/-сг , где с1 - диаметр каустики луча, V- скорость сканирования. Временная форма импульса в этом случае повторяев распределение интенсивности излучения по сечению пучка в масатабе, определяемом скоростью перемещения. Таким образом, изменение скорости сканирования и диаметра каустики позволяет менять

Важно отметить два обстоятельства: I. Предлагаемая методика позволяет менять в пироких пределах Ю-^ + I с (возможно получение и болпзих "¿и.)« Второе её достоинство заключается в возможности производить сколь угодно большое количество эффективных "выстрелов", равное

(5)

(б)

одного получить

г *-"/({ , где Ь - длина_ сканирования, с/ - диаметр каустики, величина, как известно, малая, в данной работе сЛ - 4-10"^ см. Это обстоятельство важно для исследования малых порогов разрушения, происходящего с малой вероятностью и требующего большой статистики.

2. В существующих да сих пор работах проводились исследования лазерного разруления прозрачных полимеров в узких диапазонах изменения времен облучения. Сни давали монотонные зависимости пороговой плотности мощности 1„ от-времени облучения которые не могут объяснить наблюдаемый эффект существования оптимальной разрушающей скорости сканирования, иными словами, минимального порога разрушения.

Обнаружено, что начиная с - 5 ис, вероятность разрушения р полиметилметакрилата (ШЛА) перестает расти при увеличении '¿и., а при 20 мс даже г.адает. В П.ИЛА, полистироле и поликарбонате обнаружена тепловая самодефокусировка излучения. Сделаны и экспериментально проверены'теоретические оценки характерного времени дефокусировки в зависимости от параметров излучения и материала. Сказалось, что если каустика полностью помещается в разрушаемый- образец, то дефокуагровку необходимо учитывать при выполнении следующего условия:

УУТ^ . > , Су__

(Ъв)2- ^С0п/эт)

где. V/- мощность, X) - диаметр, $ - исходная расходимость лазерного луча, сфокусированного линзой с фокусным расстоянием в прозрачную среду с коэффициентом поглощения X .

Экспериментально установлено, что спад зависимости (рис.3) связан с тепловой самодефокусировкой излучения,- а её перегиб от дефокусировки не зависит, т.е. является свойством самого материала.

В четвертой главе проведены исследования влияния на лазерную стойкость такого параметра как частота следования импульсов. В работе использован ЧАй - лазер ( 2 = 1,06 мкм), работающий в режиме свободной генерации (длительность импульса 10-/* с, расходимость 1,5-10~^рад). Плотность мощности

К

.варьируется в пределах (0,5 х 1)1П , где J = 2-ICJ Вт/см^'-пороговая интенсивность для однократного воздействия по уровню вероятности пробоя 0,5. О.обое внимание уделено полутени:*) идентичных доут доугу лазерных импульсов. Обнаружено. что с ростом частоты следования лазерных- импульсов у увеличивается число импульсов /V , необходимое для пргбоя полиморов, для ■ И.ИА эта зависимость изображена на рис.4. Аналогичные зависимости получены для поликарбоната и пслистирола. В этих материалах для тех же-условий эксперимента обнаружена тепловая дефокусировка излучения. Сна детально исследовалась для ГММА. Установлено, что рост числа необходим« для лазерного разру-иення импульсов обусловлен дефокусировкой. Для ГГ.И.1А это показано количественно.

В пято" главе проведены исследования развития лазерной' трещины при импульсно-периодическсм воздействии. Хорошо иэ-вебтно, что при воздействии лазерного импульса длительностью Ти ^ Ю-3 с и плотностью мощности, превьшакщей порог разрушения, в объеме полимерных стекол образуются дискообразные трещины. В этом случае трещины возникают в результате внутреннего микревэрыва, поглощающего свет включения с образованием микротрещины. Дальнейшее её развитие происходит за счет расклинивающего действия газа, образующегося в лазерной термо-' деструкции полимера. При этом энергия на испарение полимера подводится за счет поглощения излучения газом трещины, аггазовые частицы испаряются с поверхности трещина*.

В импульсно-периодическом режиме роста трещины сопровождается возникновением волны поглощения, распространяющейся навстречу лазерному пучку по каустике, причем образование газовых частиц происходит не на ограничивающих трещину поверхностях, а в облучаемом кончике волны поглощения. Яркостная температура, измеренная фотографическом методом, достигает в области протекания лазерного пиромеза (в кончике волны поглощения). 1200 К.

Построена модель роста трещины. Получено соотношение:

где I) - диаметр трещины, £ - энергия импульса, Н. - элективная энергйя, необходимая для образования одной газовой частицы, Л> - частота следований импульсов, Т - время, ,

диаметр и числочастиц в начальной микротрещине. Получено хорошее согласие выводов модели ,с экспериментальными результатами.

Получены масс - спектры холодного газа внутри трещин, образующихся в твердых прозрачных диэлектриках при лазерном воздействии с длиной волны Д = 1,06 мкм. Использовался импульс но-периодический режим генерации лазера с длительностью каж- ■ дого импульса ~ Ю-^ с и ~ с. Метод ионного циклотронного резонанса, с помощью' которого исследовались образцы по-лиметилметакрилата, полистирола и поликарбоната отличается высокой разрешающей способностью и дает возможность не только определять молекулярный вес, но и химический состав газа. Для кислородсодержащих полимеров обнаружено большое содержание в газе молекул СО.

иЫЕОДР.

Сформулируем основные результаты настоящей работы:

1. Изложена и подтверждена хорошим согласованием с экспериментом новая методика построения функции распределения вклю-. чений в материале по порогам пробоя, найден закон эволюции этой функции. Показано, что существует взаимооднозначное соответствие между эффектами накопления в прозрачных полимерных материалах и эволюций функции распределения при многократном облучении образца. Метод построения при наличиии аналогичных экспериментальных данных пригоден для исследований лабого прозрачного диэлектрика с выраженным эффектом накопления.

2. Обнаружено,. что при разрушении полиг . ов излучением с по-~ стояннсй интенсивностью существует время облучения, отвечающее максимальной вероятности разрушения. Показано, что при определенных условиях к уменьшению вероятности разрушения при дит тепловая самодефокусировка. Най,;:*^ условия облучения материала, при которых дефокусировка становится существенной, для ГММА и полистирола получены константы, характеризующие её 'количественно.

\

3. Обнаружено, что при разрушении прозрачных полимеров повторяющимися лазерными импульсами количество этих импульсов до пробоя тем больше, чем бегите частота их следования. Установлено, что это явление обусловлено тепловой самедефоку-сировкой излучения.'

<1. 1'сследсвано экспериментально и представлена модель развития трещины, как конечной стадии разрушения, при импульсно-пери-одическом лазерном воздействии. Показано как связаны характеристики роста лазерной- трещины с параметрами импульса, частотой их следования и закономерностями лазерного пиролиза полимеров.

5. Проведены касс-спектрсметрические исследования газа внутри лазерной трещины. Оказалось, что его состав - молекулы с атомной кассой 50, а содержание примесей с атомной массой больше 50 не превосходит 1% от-основных компонент. Причем основными компонентами являются: для ГША - СО, С^Н^, СО2, для поликарбоната - СО, Н^О, для полистирола - С^Но, (^Н.

Публикации. Основной материал диссертации опубликован в работах:

1. Г.Я.Глауберман, С.В.Кондратов, Н.О.Пилипецкий, С.О.Саванин, В.В.Пкунов. Развитие лазерной тре?цины при импульгно-периодическом режиме облучения.- ПМТ11. 1966. № 6.

2. Г.Я.Глауберман, Н.Ф.Пилипецкий, С.Ю.Саванин, В.З.Шпедченко, В.В.Шкунов. Разрушение полимерных стекал при сканировании непрерывного лазерного луча.-Кгаытовая электроника. 1969. № 6.

3. Г.Я.Глауберман, Н.Ф.Пилипецкий, С.Ю.Саванин, В.В.Шкунов. Разрушение полимеров в зависимости от частоты следования лазерных импульсов.-Квантовая электроника. 19С9. £ 5.

4. Г.Я.Глауберман, С.О.Саванин, В.В.Икуног., ,Ц,Е.1Цу1.1эв. Эволюция функции распределения микровклшений по порогам пробоя

1ЫД при воздействии серии лазерных -импульс о в.-Труды МЯТИ. 1980.

5. Г.Я.Глауберман, Н.Ф.Пилипецкий, С.Ю.СаБаннн, В.В.Шкуяов. Рост лазерной трещинь: при импульсно-пернодическом воздейсто.:'; • -Тезисы.доклада на У1 Всесоюз. съезде по механике.

6. Г.Я.Глауберман, Н.Ф.Пилипецкий, С.Д.Савапнн. Лазерная трещина.-Тезисы доклада на I Конференции по механике соц. страл. •Прага. 19У7 г.'

1?. Г.Я.Глауберман, С.Ю.Саванин, З.В.Шведчснко, В.В.Шкунов. , Минимальные пороги лазерного разрушения твердых прозрачных полимеров.-Тезисы УП Всесоюз. конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом. Ленинград. 1988.

8.„ Г.Я.Глауберман, С.Ю.Саванин, В.В.Шкунов. Зависимость эф- ' фектов накопления в полимерах от частоты следования лазерных импульсов.-Тезисы УII Всесоюз. конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом. Ленинград. 1968. \

9. Г.Я.Глауберман, А.В.Уордехай, Н.Ф.Пилипецкий, С.Ю.Саванин В.В.Шкунов. Масс-спектроыетричегкое исследование газа в лазе; ной трещине.-Тезисы I Всесоюз. школы-семинара "Применение масс-спектрометрии в биологии и медицине".'Харьков. 1569.

10. Г.Я.Глауберман, С.Ю.Саванин, В.В.Шкунов, Д.Е.Щумов. Оунк ция распределения микровключений в ПММА и её эволюция при во действии серии лазерных импульсов.-Квантовая электроника. 19 »8.

П:з. i ■ Зкспврхадагг&щша гасгсгтасгя пероятпостз рззртпепзя

Œ.MA. от чгсла лазоретх слтульсов. Цтотпсстъ спортап

импульса: I - 3,3 Дя/см*% 2 - 2,3 Ля/cu2, 3 - 2,2 Дн/см 4 _ Ii8 дх/см2, 5 - 1,4 Дя/си2.

и.

д - е[ « го, & -дх/см2 о - а1шЗ,д дж/см2 О - е! «

а о

а л

о а

д

о

До

0,1 Щ

0,6

а/

рас.£ Зависимость логарифыа критического числа импульсов

в одну точку образца от относительной плотности анергии лазерного импульса - плотность энергии импульса, приводящего к разрушению с вероятностью о,5.

1

в*

о,б

о о

о

о о

во

о о о о

о О

о

О О

о

2 3 /0 3Q

Рис.3. Вероятность, рузрувения ПОДА от времени.

1QO %

НС

I

I к—»

сл

<аоо|-

200

№

_о-о-

25

50 Ъ>,Ги,

Рис. 4 Зависимость числа кштульсов, необходим

для разрушения ПШ1А, от частоты их следов ания при значениях . равных 0,7(о), 0,6(«О к о,!

РЙтапринт 1ЮТИ Тира» 100 вкэ. Заказ »У^

09.04.91