Светодетонационная волна возбуждаемая лазерным излучением в прозрачном диэлектрике тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

СТРИГИН Михаил Борисович

СВЕГОДЕТОНАЦИОННАЯ ВОЛНА. ВОЗБУЖДАЕМАЯ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 8 ПРОЗРАЧНОМ ДИЭЛЕКТРИКЕ.

Специальность 01.04.03 - " Радиофизика"

АВТОРЕФЕРАТ ■ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Челябинск - 1996

Работа выполнена в вузовско - академическом отделе нелинейной оптики Института электрофизики Уральского отделения Российиской академии наук и Челябинского государственного технического университета.

Научные руководители: член - корреспондент РАН Б.Я. Зельдович;

кандидат физико - математических наук АН.Чудинов:

Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук

А.В.Сухов: ,

доктор физико-математических наук С.М. Шандаров;

Ведущая организация - Институт оптики атмосферы Сибирского отделейия РАН.

Защита состоится * * 1996 года . в___ часов . на

заседании диссертационного совета К 06353.03 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико -математических наук при Томском государственном университете (634010. г. Томск-10. пр. Ленина.36).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан _1996 г.

Ученый секретарь специализированного

совета

кандидат физико-математических наук

Г-МДейкэва

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблемы взаимодействия лазерного излучения с веществом широко изучаются. Использование стекол для изготовления оптических элементов обусловило необходимость исследования физических процессов, происходящих при оптическом пробое прозрачных диэлектриков. Механизмы разрушения прозрачных диэлектриков могут, различаться в зависимости от характера лазерного излучения, качества обработки поверхности образца, степени загрязненности объема, процентного содержания примесей в диэлектрике. В литературе рассматриваются различные механизмы инициирования оптического пробоя, среди которых ВРМБ, эффекты, связанные с самофокусировкой, эффекты. связанные с поглощением в примесях.

Проведенное исследование оптического пробоя в различных диапазонах изменения частоты следования лазерных импульсов позволило получить дополнительные сведения о механизмах несобственного многаимпульсного пробоя. Экспериментально получены цепочки микроразрушений, идущих от задней к передней грани образца. Предположительно, волна пробоя, образующая микроразрушение, распространяется, 8 режиме "световой детонации". Построена модель зарождения, развития и затухания такой волны. Исследование морфологии микротрещин, имеющих характерную форму воронок, подтвердили соответствие экспериментальной и теоретической модели.

На основе этих исследований предложен новый способ обробот<и прозрачных диэлектриков, выявлены параметры. определяющие качество обработки, что имет также практическое значение данного исследования.

Отдельные практические результаты данного исследования использованы (апробированы) в Германии, в Labor fur Lasertetechnik der FH Munster, и описаны в работе [1].

Целью данной работы является экспериментальное и теоретическое исследование светодетонационной волны, возбуждаемой пикосекундными лазерными импульсами в прозрачных диэлектриках.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Экспериментально обнаружена нелинейная зависимость скорости роста канала лликротрещин в зависимости ; от частоты следования лазерных импульсов. .

2. Предложена теоретическая модель зависимости скорости роста канала от частоты следования лазерных импульсов.

3. Предложена теоретическая модель образования микротрещины на основании зарождения, развития и распаАа светолето-национной волны, генерируемой лазерным импульсом.

4. Экспериментально исследована морфология микротрещин и предложена теоретическая модель зависимости наблюдаемой геометрической формы от параметров лазерного импульса и условий распада светодетонационной волны.

Практическая ценность работы:

I. Предложен новый метод резки прозрачных диэлектриков с существенным уменьшением на два - три порядка энергетических затрат, на порядок уменьшены материальные затраты на создание технологической установки по сравнению с С02 - лазером.

Показана возможность, оптимизации технологии резки с качеством, не уступающим по результатам, достигнутым при резке другими способами.

/

2. В работе [1] на основе наших методов предложен новый способ маркировки стекол внутри объема. При записи таким образом какое-либо стирание надписи исключено.

Положения, выносимые на защиту :

К Нелинейная зависимость скорости роста канала микротрещин от частоты следования лазерных импульсов вследствие рассеяния и поглощения лазерного излучения на точечных дефектах изначально присутствующих в диэлектрике, а также индуцированных лазерным импульсолл.

2. Механизм образования микротрещин в прозрачном диэлектрике при распаде светодетонационной волны.

3. Обусловленность структуры микротрещины распадом с вето-детонационной волны.

Апробация роботы :

Материалы диссертации опубликованы в П работах и докладывались на конференции OSA Annual Meeting в 1993 г. в Канаде, на шестом межреспубликанском заочном научно -техническом семинаре "Применение лазеров а науке и технике" в 1994 г. в Иркутске, на международных конференциях "Оптика лазеров" в 1993 и 1995 гг. в Санкт - Петербурге, на семинарах в Челябинском Государственном Техническом университете.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во_Зяедении обосновывается актуальность темы работы,

формулируется ее цель, научная новизна и практическая ценность, перечисляются защищаемые положения, приводится аннотация содержания диссертации по главам.

S первой главе, з первом параграфе приведен литературный обзор по работам, посвященным оптическому пробою.

S

Рассмотрены материалы, посвященные различным механизмам взаимодействия лазерного излучения с диэлектриком, приводящим к пробою. Приведены следующие механизмы:

1) взаимодействие лазерного излучения с диэлектриком на его границе; •

2) генерация оптических или акустических фононов в результате вынужденного комбинационного рассеяния;

3) генерация акустических фононов на частоте равной разности частот двух типов колебаний лазера;

4) эффекты, связанные с саллофокусировкой лазерного излучения;

5} нагрев диэлектрика при поглощении лазерного излучения то чечными дефектами, изначально присутствующими и индуцированными предыдущими импульсами. -

Основная часть обзора посвящена пятому пункту, так как з проводимом исследовании изучается несобственный оптический пробой, связанный с разогревом поглощающих дефектов.

Рассмотрены работы, посвященные термохимическому механизму тепловой неустойчивости; Пробой, реализующийся в этом случае, протекает в равновесном теплопроводностном режиме, аналогом которому является режим "медленного горения". Температура, которая достигается в этом случае, равна температуре кипения » 2500° К. Режим "медленного горения" возникает при невысоких плотностях светового поток а < 107 Вт/см2 и при длительностях импульса « 103 с. При этих условиях невозможно поджечь разряд в объеме слабопоглощающих сред, или так называемую светодетонационную волну, аналогом которой является режим детонации в теории горения. Основное отличие режимов, по

теории горения. - потребление волной пробоя не внутренней

&

химической энергий, а световой, поэтому скорость волны детонации является функцией интенсивности.

Рассмотрены работы. посвященные фотоионизационным, термоионизационным механизмам пробоя, а также механизмам многоимпульсного накопления точечных дефектов, которые, как мы считаем, приводят к движению искры пробоя в режиме детонации.

Сделан обзор работ Ю.П.Райзера, где описан режим световой детонации в газах. В проводимом исследовании была выявлена применимость описанных режимов для прозрачных диэлектриков.

Рассмотрены работы, посвященные морфологии микротрешин, образуемых при пробое.

Во «тором параграфе первой главы описана _ экспериментальная установка, которая была создана для исследования роста канала микротращин. Для пассивной синхронизации мод была изготовлена кювета с задним 100% зеркалом, через которую прокачивался раствор красителя 3274У. благодаря чему" достигнута длительность отдельного пичка в цуге порядка 100 пс, с энергией порядка 10"3 Дж.

Описаны методики экспериментов по измерению зависимости скорости роста канала микротрещин от частоты следования лазерных импульсов. Установка позволяла перемещать образец в трех измерениях, что обеспечивало возможность фигурной резки образцов диэлектрика.

Для проведения морфологических исследований применялся микроскоп марки МБС- 10. с разрешением до 7 мкм. Более мелкие детали морфологии изучены и сфотографированы при помощи электронного микроскопа.

В_^ретье«_парагрофе _втрР°Й___главы описаны экспериментальные параметры формирования лазерного излучения при

а)

Рнс.7. Схематическое изображение роста канала микротрещин [а] к развития аветоаетонацианнаи волны (С]

в

исследовании роста канала микротрещим {рис.1). Микротрещина образуется при световом пробое последующим лазерным импульсом в серии. Излучение фокусировалось таким образом, чтобы длина фокусной перетяжки равнялась ширине плоскопараллельного образца стекла К - 8. Определены причины инициирования канала на задней грани, основная из которых -интерференция падающего и отраженного излучения, понижающая порог пробоя до четырех раз. Определены экспериментальные погрешности при исследовании зависимости скорости роста канала микротрещин от частоты следования лазерных импульсов ¡рис.2}. Выявлены три диапазона частоты следования лазерных импульсов:

1) 1 - 10 Гц - диапазон, • в котором пробой диэлектрика вызывают только изначально присутствующие примеси;

2) 10 - 20 Гц - диапазон, в котором начинают существенно сказываться точечные дефекты, генерируемые предыдущими импульсами, что ведет к накоплению и дополнительному поглощению, а следовательно, к уменьшению скорости, движения волны генерации;

3) 25 - со Гц - диапазон, в котором велика роль самофокусировки, вызванной изменением показателя преломления вследствие накопления от импульса к импульсу- точечных дефектов:

Дп = <Ь1/ф-Др,

где п - показатель преломления, р - плотность точечных дефектов. Вследствие того, что р повторяет профиль интенсивности излучения, в диэлектрике наводится линза, приводящая к самофокусировке.

В четвертом параграфе второй главы предлагается теоретическая модель роста канала микротрещин на основании зарождения, развития и распада светодетонационной волны.

Рассчитана локальная скорость движения V = где I - ин-~

?

рис.2. Экспериментальная аааасашость средаеа скорости роста, завала, кякрагрещви ote частоты следования лазерных Емаульооп;

1-фокусная перетяжка внутри образца: 2 - фокусная перетяжка на задней грани

тенсианостъ светового излучения в месте взаимодействия с фронтом канала /ликро трещин. 8 - плотность диэлектрика.

Сделана оценка средней скорости роста канала « 1 мм/с. которая достаточно хорошо согласуется , с экспериментальными данными. Также оценена температура плазмы в светодето-национной волне - порядка 20 000°(С. Из формулы Унэольдо -(Срамерса. учитывающей промежуточные переходы, рассчитан критерий развития светодетонационной волны. Из теории горения известно, что для реализации режима детонации параметр ю да Vr

где 1 - длина фронта светодетонационной волны, R - его • ширина, должен быть меньше единицы. Показано, что в нашем случае со » 10-2. Причина отсутствия режима детонации при частоте следования лазерных импульсов < 3 Гц в том. что длительность светового пичка меньше характерного времени релаксации, которое уменьшается при увеличении частоты следования лазерных импульсов.

Рассматривается математическая модель роста канала микротрещин, используемая для компьютерного моделирования. Интенсивность падающего излучения на фронт канала I(tj = loe-"2^), где z(t) - координата фронта канала, отсчитываемая от передней грани образца, а = ад + oqp, где ао - поглощение за счет изначально присутствующих дефектов. a¡p - поглощение за счет

индуцированных дефектов. В результате расчета получено: -expCVu^-A/po), где А - платность . индуицированных дефектов одиночным отдельно стоящим лазерным импульсом, о - частота следования лазерных импульсов, х - время релаксации, ро - плотность точечных

дефектов, при которой начинает сказываться самовоздействие. г

В качестве модели релаксации плотности точечных дефектов принята терлло динамическая модель. Аля генерации точечных

11

СКОРОСТЬ, ми/с.

ЧАСТОТА. Гц

рис.3. ТсорПШСЕП ШВСШИЖТЬ СрСДЮВ СЕОрОСТИ роста катил «гас рот ре Ч2ая от налоги следовашэж лазерных импульсов

дефектов - аррениусовская модель самовоздействия Д ~ Аехр(Р/р„), где Д - разность между плотностями точечных дефектов до и после импульса. Определена граничная частота следования лазерных импульсов, по превышении которой режим генерации точечных дефектов с насыщением переходит во взрывной режим и = !/т)п(рр/(р0 - А)) » 25 Гц. Данный факт хорошо подтверждается

экспериментально. При и > 20 Гц канал микротрещин не успевал дорасти до передней г рани, пробой происходил в каком - либо месте между передней гранью и фронтом канала микротрещин. Далее канал начинал расти с места пробоя, выходя на переднюю грань образца, либо прерываясь очередным пробоем. Место и время пробоя определяются случайными флуктуациями интенсивности излучения (амплитуда А генерации дефектов сильно зависит от интенсивности света А - 1/(1 - Ь)Р, где II - интенсивность

излучения, приводящая к пробою в объеме образца) и формой лликротрещины, образованной предыдущим имлульсолл.

С учетом всего вышесказанного, интегрируя выражение У=(1/8)ш от задней до передней, грани стеклянного образца шириной 8 ллм. получено достаточно хорошее качественное согласие между экспериментальными и теоретическими выводами (рис.2 и 3). В данной модели световое излучение рассматривалось в виде плоской бесконечной волны. Для более полного описания необходимо учитывать зависимость как от продольной, так и от поперечной координаты и эффекты самофокусировки.

В пятом параграфе третьей главы рассматривается морфология микротрещин, механизмы. определяющие ориентацию микротрещин. Микротрещины, образующиеся в результате пробоя, преимущественно растут под углом полного внутреннего отражения, т.к. под данным углом максимален энерговвод световой энергии на

ТЗ

р

0.20 0.1 Б 0.12 0,08 0,04 0

U

20

i

40

—т

Б0

"■ч—* 80

рис.4. Гвсшригаа пипеага ниБригресдвн с даввым палшшкеп углок вря осиоаэяии хешу сл.

¡диницу площади растущей трещины. Грубо его можно определить !роизведением двух факторов : коэффициента прохождения через раницу "диэлектрик - плазма" трещины и доли поглощенной >нергии. Максимум этого произведения лежит вблизи угла полного нутреннего отражения. На рис. 4 представлена гистограмма юловинного угла основания конуса микротрещин. Для ее гос.троения было исследовано приблизительно 200 микротрещин. Отчетливо виден второй максимум, который соответствует углу на 0° меньше угла полного внутреннего отражения. Предположительно этот угол равен углу дифракции светодетонационной волны на юследней стадии перед ее распадом. Причина дифракции ;ледующая : скорости различных участков фронта светодетонационной волны различны вследствие гауссовости луча по юперечной координате и нелинейной зависиллости скорости волны зт интенсивности излучения. Поэтому с течением . времени фронт принимает грушевидную форму с утлом раствора, соответствующим второму обнаруженному максимуму. Нами наблюдались юронкообраэные микротрещины, стороны' которых по мере 'даления от центра канала изгибались, приближаясь к ассимптоте -тла полного внутреннего отражения. Мы полагаем, эти -ликротрещины создавались несколькими лазерными импульсами, :огда время формирования светодетонационной волны превышает ¡ремя длительности лазерного пичка. В этом случае пробой приводит лишь к увеличению предыдущей. воронки. Из гистограммы ложно определить, что количество трещин, образованных за один \азерный импульс, и количество трещин, образованных несколькими \азерными импульсами, приблизительно одинаково. Знание этого соотношения необходимо для уточнения результатов по измерению скорости роста канала микротрещин. В модели, описанной выше,

15

мы принимали, что светадетонационная волна инициируется каждым лазерным импульсолл. а, соответственно, каждый иллпульс образует новую микротрешлну.

Описаны эксперименты по определению элиптичности воронок микротрещин. Элиптичность должна наблюдаться при различных коэффициентах энерговвода для различной поляризации. Поскольку эта разница лежит в пределах ошибки эксперимента, элип-соидальность обнаружить не удалось.

В шестом параграфе третьей главы рассмотрен новый способ резки прозрачных диэлектриков. Описаны эксперименты по исследованию структуры канала для определения возможности резки предложенным методом.

Его основные преимущества по сравнению с методом, использующим СО2 - лазер :

1) небольшие габариты установки, простота в управлении:

2) энергетические закаты снижаются на два-три порядка;

3) стоимость промышленной установки снижена на порядок. При исследовании морфологии канала определена

зависимости его параметров от Лнтенсивности лазерного излучения. Из теоретического рассмотрения зависимость длины канала должна быть: УЧ ~ I1'3 -г ~ где 20-длина фокусной перетяжки, V-

скорость свётодетонационной волны, т - длительность лазерного

импульса. Показано, что теоретические , и экспериментальные

данные согласуются. ■

Далее рассмотрена модификация метода резки, предложенО

наго выше. Для резки диэлектриков указанным методом необходимо, чтобы толщина пластины не превышал-а длину фокусной перетяжки. Это накладывает ограничения на ширину перетяжки - соответственно, а на энергию в импульсе, которая

1«

должна быть достаточной для инициирования оптического пробоя вблизи задней поверхности образца. Поэтому, для получения аналогичной нитки микротрещин в более толстом образце потребуется более длиннофокусная линза и существенное увеличение энергии лазерного импульса. Все вышеперечисленное накладывает ограничение на качество резки, т.к. при больших вкачиваемых энергиях увеличивается диаметр получаемых микротрещин.

Модификация метода заключается в том, что по мере роста канала фокусная перетяжка перемещается вглубь образца, синхронно с фронтом канала микротрещин.

Исследована морфология микротрещин при отстройке синхронности движения фокуса и фронта канала микротрешин. Рассматриваются случаи отставания и опережения фокуса по сравнению с фронтом канала. Результаты исследования показывают, что при точной синхронности возможно добиться" диаметра микротрещин <50мкм. Выявлено, что диаметр , канала, А « 4а, где а - ширина фокусной перетяжки. Таким образом, решая' уравнения энергетического баланса, получаем : й » а(Т(]/Тп)1'2 « 4а, где Т^ -температура плазмы в светодетонационной волне, Тп - температура плсзления,.чта также доказывает,- Т<5» 20000К.

Определено, что максимальное расстояние между каналами с диаметром <1 не должно превышать ЗсЗ. Качество резки повышается пои уменьшении размера микротрешин за счет снижения скорости резки, V ~ У(}. ' "

В Заключении сформулированы основные результаты работы :

1. Экспериментально обнаружена нелинейная зависи/лость

скорости роста канала микротрещин в зависимости от частоты

следования - лазерных импульсов. Показано, что на разных

17

диапазонах изменения частоты к пробою приводят различные физические механизмы.

2. Предложена и обоснована ллодель динамики накопления точечных дефектов, приводящих к поглощению лазерного излучения. Показано достаточно хорошее согласие между экспериментальной зависимостью скорости роста канала микротрещин и зависимостью. полученной из колшьютерного молельрования.

3. Впервые предложена и обоснована модель образования канала микротрещин путем инициирования светодетонационной волны и последующего ее распада с образованием микротрещины в виде характерной воронки. Показано, что параметры лазерного излучения, использующегося в нашей экспериментальной установке, удовлетворяет пороговым условиям инициирования светодетонационной волны.

4. Экспериментально исследована морфология лликротрещин. На основе этих исследований удалось оценить качество резки прозрачных диэлектриков методом, предложенным нслли. Обнаружены микротрещины, ориентированные к направлению распространения не под углом полного внутреннего отражения, что связано с распадом светодетонационной волны. Получены дополнительные доказательства хорошего согласия между экспериментальными и теоретическими результатами.

Автор выражает искреннюю благодарность Б.Я.Зельдовичу, А.Н.Чудинову за постановку актуальной темы диссертации, постоянную'поллощь и внимание к работе.

Автор признателен А.А.Постникову за помощь в проведении экспериментов а также В.В.Шкунаву за полезные обсуждения и внимание к работе.

7В

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.

Т. Klaus Dickmann. Elena Dir/ "Innenbearbeitung von Glass mit Nd : ♦ YAG - Laser7/Laser magazin, 1995,Na 1. p. 16-19.

РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

/

2. А.А.Постников, М.Б.Стригин. А.Н.Чудинов/ "Резка толстых стеклянных пластин пикосекунднылли импульсами света'У/Физика твердого тела. 1994. Т.36, № 3. С.2273 - 2276.

3. М.Б.Стригин. А.Н.ЧудиновГЛазерная обработка стекла пикосекундными импульсами'У/Квантовая электроника. 1994, Til, No 8, С.787 - 790.

4. А.А.Постников, М.Б.Стригин, А.Н.ЧудиновГМеханизллы ориентации микротрещин в оптических стеклах, образованных излучением лазера с пассивной синхронизацией мод'У/Письма в ХГФ. 1994, Т.20, зып.15, С22 - 27.

5. М.Б.Стригин, И.Б.Царев, А.Н.ЧудиновГМодель образования канала пробоя в прозрачном диэлектрикё7/Материалы шестого межреспубликанского заочного научно - технического семинара "Применение лазеров в науке и технике". Иркутск. 1994. С. 18-20.

6. А.А.Постников, М.Б.Стригин,, А.Н.ЧудиновГПрименениё пикосе-кундных лазерных импульсов для резки толстых. стеклянных пластин"// Материалы шестого межреспубликанского заочного научно - технического семинара "Применение лазеров в науке и технике". Иркутск. 1994, С.12-13.

7. Б.Я.Зельдович, М.Б.Стригин. А.Н.Чудинов/'Новый метод лазерной резки прозрачных диэлектрикоз'У/Письма в ЖГФ. 1993, т.19. вып. 7, C.S9 - <51.

Ï9

8. A.N.Chudinov, M.B.Strigin/"Cutting of glass by picosecond laser radiation"//Optics Communications. 1994.V.l 06.P.223:

9. A.N.Chudinov, M.B.Sirigin//ln: OSA Annual meeting. 1993. (Optical Society of America, Washigtoa D.C., 1993) V.l 6. P.125.

10. A.N.Chudinov, M.B.Strigin/"Modet of breakdown channel forming in transparent dielectricsV/Technical 'Digest "8-th Laser Optics", i 995, V.l. P.223 - 224.

11. A.N.Chudinov, A.A.Postnicov. M.3.Strigin/"Optics mechanical method druling transparent dielectricsV/Technical Digest "8-th Laser Optics". 1995. V.l. P.225-226.