Влияние исходных макроскопических дефектов на процесс лазерно-индуцированного разрушения и деформирования оптически прозрачных кристаллов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

-Г Г Б г.

г-.; I

На правах рукописи

УШАКОВ Иван Владимирович

ВЛИЯНИЕ ИСХОДНЫХ МАКРОСКОПИЧЕСКИХ ДЕФЕКТОВ НА ПРОЦЕСС ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОГО

РАЗРУШЕНИЯ И ДЕФОРМИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ КРИСТАЛЛОВ

Специальность № 01.04.07 - "физика твердого тела "

А втор е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1998

Работа выполнена на. кафедре общей физики Тамбовского государственного университета им. Г. Р. Державина

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор

В. А. Федоров.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор A.A. Урусовская; кандидат физико-математических наук, доцент A.C. Мельниченко

Ведущая организация - Физический факультет Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова

Защита диссертации состоится 17 сентября 1998 г. в / ö часов на заседании специализированного совета К. 053.08.06. при Московском государственном институте сталей и сплавов, по адресу: 117936, г. Москва, Ленинский проспект, дом 4, аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИСиС.

Автореферат разослан "_"___ 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета

s

кандидат физико-математических наук

ведущий научный сотрудник /! £ С Я. М. Муковский

о

/г£>

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из препятствий на пути совершенствования лазерных технологии, увеличения долговечности и повышения мощности лазерных систем является разрушение оптических элементов под действием когерентного излучения. В связи с этим исследование воздействия лазерного излучения на прозрачные материалы является одним из важных направлений в науке и технологии.

Оптическая прочность твердых прозрачных диэлектриков существенно зависит, при прочих равных условиях, от таких дефектов, как трещины, полости, поры. Из них наибольший интерес представляют трещины. В вершине трещины возможна более высокая концентрация механических напряжений, чем вблизи поры или полости. Рост трещин является основной причиной механического разрушения материалов.

Однако до настоящего времени остается неизученной проблема лазерно-индуцированного разрушения прозрачных кристаллов с макроскопическими трещинами. Эта задача тесно связана с вопросами роста трещин при лазерном облучении, влияния трещин на оптическую прочность, особенностями механического разрушения при оптическом пробое.

Несмотря на значительное количество работ, посвященных исследованию влияния микротрещнн на лазерную прочность оптических элементов, не исследованы физические процессы, происходящие в прозрачных кристаллах с макротрещинами под действием лазерного излучения. Большинство экспериментальных работ, посвященных этой теме, было выполнено на образцах с большим количеством микротрещин, которые образовывались в результате механической обработки материала шлифованием. При этом помимо трещиноватого слоя формировался упругодеформированный слой, а в микротрещины попадала суспензия.

Такие работы имеют большое практическое значение, способствуют улучшению технологии производства. Однако, на основании только таких исследований трудно установить суть физических процессов, проходящих на трещине, отделить их от влияния рельефного и упругонапряженного слоя, загрязняющих веществ, повышенной плотности дислокаций. Следовательно, затруднена корректная оценка вклада трещин в снижение оптической и механической прочности прозрачных материалов.

В связи с этим исследование физических явлений, приводящих к оптическому пробою на дефектах кристаллической струтуры и особенностей последующего механического разрушения, имеет особую актуальность.

Цель и задачи исследования. Работа посвящена экспериментальному исследовашпо влияния макроскопической трещины на оптическую и механическую прочность прозрачных кристаллов с различными оптн-

ческими и механическими свойствами, причин и характеристик лaзql-но-индуцироваиного роста трещины, особенностей повреждения материала при оптическом пробое в широком интервале температ>"р.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Исследовать закономерности лазерно-нндуцированного разрушения оптически прозрачного кристалла с исходной макроскопической трещиной, а также влияние исходной трещины на развитие лазерно-пндунированных дефектов.

2. Установить причины и характеристики лазерно-индуцирован-ного роста исходных макроскопических трещин в кристаллах, характеризующихся различными оптическими и механическими свойствами.

3. Установить закономерности взаимодействия исходной и лазер-но-индуцнрованной трещин в оптически прозрачных кристаллах на основе механического моделирования процесса.

4. Определить зависимость между величиной порога оптического пробоя прозрачного материала и временем существования трещин.

5. Исследовать закономерности изменения структуры поврежденного слоя кальцита, возникающего в условиях оптического пробоя, в широком интервале температур. Определить вклад различных механизмов деформирования в формирование поврежденного, слоя кальцита.

Научная новизна.

1. Установлено, что активация роста исходной макроскопической трещины в монокристаллах СаСОз, ХлБ, ЫаС1 в случае оптического пробоя на поглощающих включениях обусловлена термическими и механическими напряжениями, возникающими в точках нагрева.

Вероятность активации роста трещины зависит от величины термических напряжений, возникающих иа поглощающих включениях, и о г места их расположения относительно трещины.

2. Показано, что исходная макроскопическая трещина оказывает влияние на характер распространения лазерно-индуцнрованной трещины и обеспечивает возможность нх объединения. Вероятность такого объединения и вероятность последующего разрушения кристалла увеличивается по мере уменьшения расстояния между лазерно-инду-цированной трещиной и исходной.

3. Установлено, что оптический пробой на поверхности трещины в объеме образца более опасен для механической целостности кристалла, чем оптический пробой на поверхности.

4. Определен характер зависимости оптической прочности прозрачных материалов от времени существования трещины. Выделено три периода существования трещин, в каждый из которых предельная оптическая прочность лимитируется различными факторами. В первый период существования трещины оптическая прочность определяется наличием свободных электронов, во второй - интерфе-

рениионнымн явлениями па трещине, п третий - увеличением по-глошательной способности поверхностен трещин вследствие их контакта с окружающей средой.

5. Обнаружено, что пластическая деформация кальцита в условиях оптического пробоя импульсным излучением, при Т«293 К, протекает в тонком приповерхностном слое. Механизмы пластического деформирования - двойшгкование н трансляционное скольжение, причем доминирующий механизм зависит от энергии лазерного импульса и расстояния от центра зоны облучения.

6. Установлено, что доминирующую роль в формировании поврежденного слоя образцов кальцита, облученных при Т«950 К, играет массовое TqnniHecKoe разложение микрообластей кальцита в результате перегрева.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Для монокристаллов LiF, NaCl и СаСОз с со/ржанием примесей Ю-3 - Ю-2 вес.% доминирующей причиной активации роста исходной макроскопической трещины при лазерном облучении является нагрев поглощающих включений, расположенных в обьеме материала.

Вероятность активации роста исходной трещины зависит от величины термических напряжений, возникающих на поглощающих включениях и от места их расположения относительно трещины.

2. Исходная трещина оказывает влияние на характер роста близко расположенной лазсрно-нндуцнропанной трещины, обеспечивает возможность объединения трещин, увеличивает вероятность разрушения кристалла при их объединении. В свою очередь, растущая трещина может инициировать рост исходной за счет механических напряжений, сопровождающих ее рост.

Уменьшение расстояния между исходной и растущей трещинам' приводит к уменьшению энергии, необходимой для их объединения, г увеличению вероятности такого объединения.

3. Оптический пробой на тренинге более опасен дчя механпч' целостности кристалла, чем оптический пробой на по г / 3 wi вероятность увеличивается по мере прохождения лазе / JT S . / через прозрачный материал вследствие нелинейных яв; / о 'Р

4. В зависимости от времени существования тре /^ прочность определяется: а) наличием свободных эле I ^ ¡¡г § е 100 с); б) интерференционными явлениями на тренг / g & i'„, зависящего от свойств материала и окружающей ср< /от G ,пем и увеличением коэффициента поглощения пов по W пни.! вследствие их контакта с окружающей средой. hq § §

5. Пластическая деформация кальцита пр ^ § «/ пробое импульсным излучением протекает в тонком ci /о W лпературе облу чаемого образца ==290 К поврежденный сл< / , ^ ^ .тся за счет двойшгкования н трансляционного скольжения. f~il

Толщина поврежденного слон п доминирующий механизм деформирования зависит от энергии импульса п расстояния от центра зоны облучения.

При высоких температурах (Т=950 К) поврежденный слои формируется за счет радиационного повреждения, трансляционного скольжения и термического разложения is результате перегрева мнкрообластей.

Доминирующим механизмом деформирования при температуре =950 К является массовое термическое разложение мнкрообластен в результате nepei рева.

Практическая ценность.

Полученные в работе результаты позволяют прогнозировать влияние трещин на оптическую и механическую прочность прозрачных материалов. На основании установленного дня кальцита характера повреждения при оптическом пробое в широком интервале тем!тератур можно определить оптимальную эксплуатационную температуру. Временная зависимость оптической прочности прозрачных диэлектриков от времени существования в них трещии позволяет прогнозировать долговечность оптических элементов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 11 международной конференции по прочности материалов ICSMA-11 (Czech Republic, Prague, 1997), на международном симпозиуме по нелинейным электромагнитным системам ISEM-Braunschweig (Germany, Braunschweig, 1997), на международной конференции "Неразрушающее тестирование и компьютерное моделирование в науке н инженерии" (С.-Петербург, 1997-1998 гг.), на IX международной конференции "Взаимодействие дефектов и иеупругие явления в твердых телах" (Тула, 1997), на XXXIII международном семинаре "Актуальные проблемы прочности" (Новгород, 1997), па Петербургских чтениях по проблемам прочности (С.-Петербург, 1998), на международной конференции "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (Тамбов 1996), па международном научном конгрессе студентов, аспирантов и молодых ученых YSTM'96 (Москва, 1996), на IV международной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов" (Воронеж, 1996), на научных конференциях преподавателей и сотрудников Тамбовского государственного университета (1995-1998 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 15 работах, указанных в конце автореферата.

Личный вклад автора. Основные результаты и выводы диссертации получены лично автором.

Структура н объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе и списка цитируемой лтгщэатуры. Работа содержит 135 страниц текста, включая 49 рисунков, две таблицы. В конце диохртации приведен список используемой литературы из 198 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулировна цель исследования, практическая значимость, научная новизна, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит обзор и анализ литературных данных по теме диссертации.

Рассмотрены представления о трещине как концентраторе напряжения и источнике последующего разрушения. Проведен анализ работ, посвященных исследованию влияния механических и термоупругих напряжений на стационарные и растущие трещины.

Приведены и проанализированы данные о воздействии лазерного излучения на такие материалы, как металлы, полупроводники, диэлектрики. Рассмотрены работы, касающиеся лазерной прочности прозрачных материалов. Изложены основные факторы, определяющие порог оптического пробоя твердых прозрачных диэлектриков.

Изложены основные закономерности формирования поврежденного слоя н разрушения диэлектриков при оптическом пробое и тепловом ударе. Проведен анализ современных представлений о кинетике оптического пробоя в объеме прозрачных диэлектриков и характере возникающего при этом разрушения.

В заключении обзора сформулирована цель и поставлены задачи исследования.

Вторая глава посвящена исследованию особенностей разрушения оптически прозрачных кристаллов с макроскопической трещиной под действием излучения импульсного лазера.

Исследования проводили на: (1) монокристаллах УР, содержание примесей по Са2+, Ва2+ не превышало Ю-3 вес.%.; (2) монокри-

сталлах ИаС1, которые в зависимости от содержания примесей были разделены на три группы: (2.1) легированные Сг3+ 10 2 вес.%, (2.2) легированные Сг3* Ю-3 вес.%, (2.3) содержание примесей по Са2+, Ва2+ не превышало 10 } вес.%; (3) монокристаллах СаСОз: (3.1) содержание примесей «Ю-2 вес.%, (3.2) содержание примесей не превышало Ю-3 вес.%.

В образцы с размерами 15x30x8 мм вводили исходную трещину длиной порядка 6 мм н облучали серией лазерных импульсов, увеличивая энергию каждого следующего импульса на 10% до разрушения образца.

Использовали лазер ГОС-1001, длина волны излучения 1060 им, энергию импульсов варьировали от 40 до 500 Дж, длительность импульса в зависимости от его энергии составляла, соответственно, 0,6-1,5 мс.

Исследование эволюции дислокационной структуры в вершине трещины при лазерном облучении проводили на монокристаллах УР.

В исходный образец вводили трещину в плоскости (010). Затем образец раскалывали на две равные части по плоскости (100). Одну часть -"контрольный образец" - травили в водном растворе хлорного железа, а вторую часть облучали серией лазерных импульсов, а затем подвергали химическому травлению.

Исследованием дислокационной структуры в вершине трещины на контрольном и облученном образце показано, что она заметно изменяется только в случаях активации роста исходной трещины и влияния очагов разрушения от близко расположенных поглощающих включений.

В ходе исследований обнаружено явление лазерно-индуцирован-ного роста исходной макроскопической трещины.

Полу чены статистические результат!»!, свидетельствующие о высокой вероятности (0,66-0,88) активации роста исходной макроскопической трещины при лазерпо-индуцированном разрушении образца. Установлено также отсутствие четкой тенденции уменьшения исходной трещиной механической прочности образца при оптическом пробое.

Полученные результаты объяснены на основании нелинейного характера нарастания термических напряжений на поглощающем включении, при превышении интенсивностью излучения некоторого критического значения. Из нелинейного характера нарастания напряжении следует, что возникающие напряжения могут быть как ниже предела упругости, так и больше напряжений, необходимых для механического разрушения образцов.

При этом: 1. Значительные разрушения образца, как правило, сопровождаются ростом исходной трещины. 2. При напряжениях, много больших предела прочности, разрушение происходит за счет появления и роста лазерно-индуцированных трещин. В этом случае велика вероятность их взаимодействия и объединения с исходной трещиной.

Показано, что доминирующей причиной активации роста исходной макроскопической трещины для кристаллов с указанным выше содержанием примесей являются термические и механические напряжения, возникающие при нагреве поглощающих включений, и возникновение на их месте полостей и трещин.

Другой причиной активации роста исходной трещины может быть влияние механических напряжений, сопровождающих рост лазерных трещин. Возможна активация роста трещины за счет расклинивающего действия газа (плазмы), образующегося при нагреве поглощающих включений, расположенных в непосредственной близости от поверхности трещины.

Влиянием термических и механических напряжений на исходную трещину объяснены случаи подрастания исходной трещины при отсутствии крупных очагов разрушения. Показана возможность роста исходной трещины за счет ее объединения с лазерно-индуцированными дефектами.

В работе отмечено появление достаточно больших, до 3-5 мм, ла-зерно-индуцированных трещин, которые не становились магистральными. Рост таких трещин сопровождается падением механических напряжении в их вершинах за счет пластической деформации и остывания газа (плазмы).

Минимальное напряжение, необходимое доя роста трещины, определяется выражением a>acr=(ayE/L),/2, стСг - обратно пропорционально коршо квадратному из длины трещины L. Объединение лазерно-индунированной трещины с исходной увеличивает L, уменьшает минимальное напряжение, необходимое для роста трещины, что способствует разрушению образца.

Показано, что исходная макроскопическая трещина обеспечивает возможность объединения возникающих разрушений с ней и друг с другом. Установлено дестабилизирующее влияние исходной макроскопической трещины на лазерио-нндуцнрованные разрушения, возникающие в объеме образца.

Третья глава посвящена моделированию процесса взаимодействия исходной н лазерно-нндуцнрованнной трещин. В связи с тем, что затруднено воспроизводимое инициирование трещин в объеме образца лазерным излучением, растущую трещину образовывали тарированным ударом.

Исследования проводили на монокристаллах KCl, легированных хромом Cr3* 10 3 вес.%. Образцы с размерами 15x30x3 мм выкалывали по плоскости спайности. В каждый образец вводили исходную макроскопическую трещину длиной 13+16 мм по плоскости (100). Трещину, моделирующую лазерно-нндуипрованную, зарождали в параллельной плоскости (100) тарированным ударом энергией Wi = 17 мДж. Взаимное расположение трещим определяли отношением расстояния от оси симметрии кристалла до плоскости скола (Si) к полуширине образца (0.5S:).

В зависимости от расположения растущей трещины относительно исходной наблюдали три варианта разрушения:

1. Объединение растущей и исходной трещин. Кристалл разрушался за счет роста исходной трещины. Возможно возникновение дополнительных макроскопических трещин, лежащих в плоскости (001).

Объединение происходило за счет изменения растущей трещиной плоскости распространения с (100) на (001) или (101). Отмечены смешанные траектории объединения.

2. Трещины не объединяются. Растущая трещина раскалывает кристалл. Разрушение образца сопровождается, в 60% случаев, подрастанием исходной макроскопической трещины.

3. Выход трещины скола на боковую грань кристалла. При этом подрастания исходной макроскопической трещины не наблюдали.

В участке изменения растущей трещиной плоскости распро-

страпеиия на (001) или (101) отмечено повышение плотности дислокации.

Отмечено подобие макрокартин разрушения и дислокационной структур 1.1 в образцах с механически и лазерно-пндунированнымн трещинами, что дает основание применить основные статистические результаты, полученные на образцах с механически образованными трещинами, к образцам с лазерно-нндуцнрованнымн трещинами.

Установлено, что вероятность объединения трещин возрастает по мере приближения растущей трещины к исходной. При расстоянии между трещинами менее 0.0868|/0.5Б2 их объединение является достоверным событием, более 0.7533|/0.53г - объединение не происходит (для кристаллов с указанными выше размерами).

По мере уменьшения расстояния между трещинами сокращается расстояние, пройденное растущей трещиной до объединения с исходной. Объединение трещим сопровождается передачей упругой энергии от растущей трещины к исходной. Чем ближе растущая трещина к исходной, тем раньше произойдет объединение. При этом уменьшается зона пластической деформации и увеличивается упругая энергия, передаваемая исходной трещине.

Таким образом, уменьшение расстояния между трещинами увеличивает вцюятность их объединения и вероятность последующего разрушения образца.

На ряде образцов растущая трещина не объединялась с исходной. В 60% таких слу чаев исходная трещина подрастала. Построена зависимость величины относительного подрастания исходной трещины от относительного расстояния между трещинами. Установлено, что по мере приближения растущей трещины к исходной увеличивается величина подрастания исходной трещины.

Показано, что причиной подрастания исходной трещины могут быть механические напряжения, создаваемые растущей трещиной, влияние которых на исходную макротрещину увеличивается по мере их сближения.

Характер распространения трещины зависит от расстояния до боковой грани кристалла. По мере приближения растущей трещины к боковой грани кристалла возрастает вероятность выхода на нее растущей трещины. На основании экспериментальных данных построена зависимость размеров трещины скола от расстояния до боковой грани, а также зависимость между размерами вершины трещины, оставшейся в кристалле, и расстоянием до боковой грани. Установлено, что по мере приближения трещины скола к боковой грани образца сокращаются размеры трещины скола и вершины трещины, оставшейся в кристалле.

Отмечены отличия между процессом роста лазернЬ и механически инициированной трещины. Показано, что в зависимости от характеристик лазерного излучения, на процесс распространения лазерной трещины будет оказывать влияние фотопластический эффект. За счет по-

явления свободных электронов при росте трещины возможно поглощение лазерного излучения, приводящее к оптическому пробою.

Рост .lasqmMX трещин, вызванный нагревом поглощающих включении и связанным с этим возникновением термоупругнх напряжении способен оказывать значительное влияние на стационарную трещину.

В зависимости от расположения источников нагрева и, соответственно, от угла падения упругих волн (сжатия, растяжения, изгиба) на стационарную трещину изменяется распределение напряжений у се вершины, что может вызвать активацию ее роста.

В четвертой главе рассмотрена зависимость порога оптическою пробоя прозрачного диэлектрика с трещинами от времени существования последних.

Показано, что в зависимости от времени существования трещин, предельная оптическая прочность материала определяется различными факторами.

В первый период существования трещины (время ее роста и первые десятки секунд после остановки) предельная оптическая прочность определяется наличием свободных электронов, образующихся за счет пластической деформации и электризации разделяемых поверхностей.

Во второй период существования трещины, через »100 с, когда завершается эмиссия электронов и релаксация высоких механических напряжений, предельная оптическая прочность определяется интерференционными явлениями.

Оценен вклад интерференционных явлений в формирование зоны повреждения Fia выходной noBqixnocTii монокристалла кальцита с исходной макроскопической трещиной.

Показано, что на выходной поверхности в результате наложения падающего света, света отраженного от выходной поверхности и от поверхности трещины, формируется интерференционная картина, сходная с получаемой на зеркале Ллойда. В местах интерференционных максимумов инициируется оптический пробой, захватывающий затем всю облучаемую область.

В третий период существования трещин снижение оптической прочности обусловлено адсорбцией примесей на поверхностях трешин, приводящей к увеличению коэффициента светопоглощения. Интенсивность старения зависит от вещества и условий окружающей среды.

Трещина не только увеличнвет вероятность оптического пробоя, но и увеличивает вероятность механического разрушения образца при оптическом пробое.

Обнаружено, что при фокусировании излучения в объем образцов кальцита с Ccri >Е>Есг2 (где Ecri - энергия, достаточная для самофокусирования излучения, Есг2 - энергия, достаточная для инициирования оптического пробоя в месте фокуса) образуются два канала выжженного материала (соответствующие обыкновенному и необыкновенному лучам), идущие от выходной поверхности в объем образца. Каналы вы-

жженного материала сформировались при оптическом пробое выход-нон поверхности самосфокуспрованным излучением. За счет выхода плазмы из образующихся каналов механические напряжения не достигают критических значений, сохраняется механическая целостность образца.

Нахождение на пути распространения самосфокусированного излучения оптической неоднородности, например, поглощающего включения, состаренной поверхности трещины, приводит к оптическому пробою в объеме образца и его механическому разрушению.

В пятой главе исследована структура поврежденного слоя кальцита, образующегося при оптическом пробое в широком интервале температур и энергий импульсов.

Исследования проводили на монокристаллах СаСОз. Образцы с размерами 15x30x6 и 30x30x30 мм выкалывали по плоскости спайности. Излучение фокусировали линзой с F=250 мм на входную поверхность (100) или за образец (для облучения зон площадью от 12 до 100 мм2), а линзой с F=100 мм - в обьем образца. Энергию импульсов варьировали от » 20 до 400 Дж.

Температуру образцов меняли от Т=273 К до Т= 1073 К. Скорость нагрева образцов (н охлаждения после однократного облучения) не превышала 10 К/мин. После ширева кристаллы выдерживали при заданной температуре в точение 20 мин. (для релаксации термических напряжений). Исследование структуры проводили на поверхности (100) н на поверхности скола (010) образцов, поврежденных в результате приповерхностного оптического пробоя. ,

На поверхности образцов, облученных импульсом излучения с энергией Ь^Ьпор, возникала лунка выжженного материала. Поверхность лунки покрыта трещинами, лежащими в плоскостях спайности н двой-никоваиия. Увеличение энергии импульса излучения приводило к образованию в центре зоны повреждения центрального углубления, тем более выраженного, чем сильнее энергия импульса превосходила ЕПОр.

Толщина поврежденного слоя составляет 20-50 мкм. В периферийных точках зоны повреждения дефектный слой сдвойннкован, двойники системы (011) [100]. В ряде случаев отсутствует четкая сдвонникован-ность структуры.

По мере приближения к центральному углублению увеличивается толщина поврежденного слоя до 20-150 мкм. Этот слои занимают не только двойники системы (011) [100], по и двойники систем (101) [010] и (110) [001] и скопления дислокации. Обнаружены залечившиеся каналы Розе.

Фокусирование излучения в объем образцов с высоким содержанием примесей приводит к оптическому пробою на крупных поглощающих включениях. В случае равномерно распределенных примесей зона повреждения имеет овалообразную форму, обусловлсн-

нуто частичным разделением излучения на обыкновенный н необыкновенный лучи.

Чистые образцы кальцита разрушались вследствие оптического пробоя в месте фокусирования обыкновенного и необыкновенного лу чей. Зона повреждения покрыта крупинками кальцита с размером 15-30 мкм.

Во всех перечисленных случаях поврежденный слой сдвойникован и содержит повышенную плотность дислокаций. Структура поврежденного слоя зависит от энергии импульса и расстояния от центра оптического пробоя. Структура поврежденного слоя, образующегося при оптическом пробое в объеме образца, качественно схожа со структурой поврежденного слоя, образующегося вследствие приповерхностного оптического пробоя.

Структура поврежденного слоя заметно меняется при температуре облучаемого образца = 700 К. В поврежденном слое высокая плотность дислокаций при редких двойниках. Показано, что одной из причин образования высокой плотности дислокации может быть упругое двойникование.

Повышение температу ры сопровождается дальнейшим изменением структуры поврежденного слоя. Образцы, облученные при Т«950 К, содержат высокую плотность ямок травления, при отсутствии трещин и двойников.

Материал центрального углубления подвергается наиболее интенсивному воздействию давления и излучения плазмы. Возникающие при этом механические напряжения релакснруют с течением времени («100 часов) за счет появления и роста трещин в плоскостях спайности и двойникования, а также между поврежденным и неповрежденным материалом. В остальных точках поврежденной зоны изменений не наблюдается.

Высокая плотность ямок травления может быть обусловлена трансляционным скольжением и массовым термическим разложением кальцита в отдельных мнкрообластях.

Для определения вклада возможных механизмов в формирование поврежденного слоя анализировали структуру кальцита, достаточно удаленную (расстояние >1 мм) от центрального углубления.

Экспериментальные точки хорошо аппроксимируются функцией

вида р - р„ + де(~(8~5о)'с'. Значения коэффициентов равны: ро= 13151,

А=267794, 5о=350,с=192.

Известно, что экспоненциальная зависимость соответствует термофлуктуационным процессам. Следовательно, определяющую роль в формировании поврежденного слоя лунки в точках, удаленных от центрального углубления, играют тепловые процессы, результатом которых является разложение кальцита. В этом случае

ямки травления представляют собой микрообластн термически разложившегося кальцита.

Приповерхностный оптический пробой приводит к формированию плазмы. Воздействие излучения плазмы приводит к образованию радиационных дефектов и нагреву некоторых точек в объеме материала (например, поглощающих включений), что и является причиной локального перегрева.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Установлено, что для монокристаллов УИ, ЫаС1 и СаСОз с содержанием примесей 10 3 до 10-2 вес.% доминирующей причиной активации роста исходной макроскопической трещины при лазерном облучении является нагрев поглощающих включений, приводящий к фор-мированшо полостей, образованию газа (плазмы), лазерно-нидуцнрованных трещин, возникновешпо механических н термических напряжений.

При этом рост исходной трещины возможен за счет: (I) влияния механических напряжений, сопровождающих рост лазерно-индуцированных трещин; (2) термоупрутнх напряжений, возникающих при нагреве поглощающих включений; (3) объединения исходной макроскопической трещины с лазсрно-нидуннрованными дефектами; (4) ширева примесей и появления газа (плазмы) между берегами трещины.

2. Исходная макроскопическая трещина оказывает дестабилизирующее воздействие на лазерно-индуцпрованные дефекты, обеспечивает высокую вероятность объединения возникающих дефектов с ней и друг с другом, способствует механическому разрушению кристалла. В свою очередь, растущая трещина может инициировать рост исходной.

3. Соотношение расстояний между растущей трещиной и исходной, а также между растущей трещиной и боковой гранью кристалла определяет наиболее вероятную траекторию роста трещины: раскол кристалла по плоскости (100), выход растущей трещины на боковую грань кристалла, объединение растущей и исходной трещины.

Уменьшение расстояния между исходной и растущей трещиной приводит к уменьшению энергии, необходимой для их объединения, и к увеличению вероятности такого объединения.

Уменьшение расстояния между трещиной скола и боковой гранью кристалла приводит к уменьшению размеров отколовшейся части кристалла и оставшейся в кристалле вершины трещины.

4. Определен вид зависимости оптической прочности прозрачного материала от времени существования трещин. Выделено три периода в существовании трещин, в каждый из которых различные факторы определяют предельную оптическую прочность.

В первый пч>нод существования трещины (»100 с.) доминирующим фактором снижения оптической прочности является присутствие сво-

бодных электронов. Во второй период вклад трещины в уменьшение оптической прочности облучаемых образцов обусловлен интерференционными явлениями. В третий период трещина способствует снижению оптической прочности образна за счет увеличения коэффициента поглощения излучения поверхностями трещины вследствие их контакта с окружающей средой.

5. Оптический пробой кальцита приводит к формированию поврежденного слоя. Структуры поврежденного слоя кальцита, образующиеся в условиях приповерхностного оптического пробоя, оптического пробоя на поглощающем включении и при самофокусировании излучения, качественно схожи.

При комнатной температуре поврежденный слон формируется за счет двойнпковапмя и трансляционного скольжения. Доминирующий механизм деформирования определяется энергией импульса и расстоянием от центра оптического пробоя.

При температуре =950 К поврежденный слой формируется за счет трансляционного скольжения и термического разложения в результате массового перегрева микрообластей. В формировании поврежденного слоя лунки, вне центрального углубления, определяющую роль играет массовое термическое разложение микрообластей в результате перегрева.

Основные публикации но теме диссертации.

1. Feodorov V.A., Ushakov I.V., Shelohvostov V.P. Investigation of damage and plasticity in LiF, NaCl and СаСОз single crystals under radiation of a pulse laser // Materials science and engineering A. UK, Oxford. - 1997, v. A234-236, p. 132-134.

2. Федоров В.А., Ушаков И.В., Шелохвостов В.П. Влияние температуры на морфологические особенности повреждения кальцита при оптическом пробое // Физика и химия обработки материалов. - 1998, № 1, с. 37-40.

3. Федоров В.А., Ушаков И.В., Шелохвостов В.П. Разрушение оптически прозрачных кристаллов с макроскопической трещиной под действием импульсов лазера // Журнал технической физики. - 1998, т. 68, № 12, с. 2547-2651.

4. Feodorov V.A., Ushakov I.Y., Shelohvostov V.P. Threshold of laser-induced damage of transparent dielectrics with cracks II Proceedings of SP1E. - 1998, v. 3345, p. 51-54.

5. Feodorov V. A., Ushakov I. V., Shelohvostov V. P. The influence of structure defects on the damage threshold of transparent dielectrics // Studies in applied electromagnetics and mechanics. Vol. 13, 1998, p. 831-834.

6. Федоров В.А., Ушаков И.В., Шелохвостов В.П. Разрушение кристаллов кальцита при оптическом пробое самосфокусированным излучением II Труды 1-го международного семинара "Актуальные

проблемы прочности" имени В.А. Лихачева и XXXIII семинара "Актуальные проблемы прочности". Новгород. Изд-во НовГУ. -1997, т. I, ч. 2, с. 247-251.

7. Ушаков И.В., Федоров В.А., Карыев Л.Г. Исследование разрушения и элементов пластичности в монокрист аллах LiF под действием излучения импульсного ОКГ II Сборник трудов международного научного конгресса студентов, аспирантов и молодых ученых YSTM'96. Москва. МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 1997, т. 2,1-7.

8. Федоров В.А., Ушаков И.В., Шелохвостов В.П., Толстовя М.А. Морфология повреждений монокристаллов кальцита при оптическом пробое в широком интервале температур II Вестник Тамбовского государственного университета. - 1997, т. 2, № 3, с. 286-290.

9. Федоров В.А., Ушаков И.В., Плужппкова Т.Н. Мнкропластич-ность, разрушение и самозалечнванне в кристаллах NaCl, LiF и СаСОз при несимметричном сколе II Вестник Тамбовского государственного университета. - 1997, т. 2, № 3, с. 291-293.

Ю.Федоров В.А., Ушаков И.В., Шелохвостов В.П. Разрушение кристаллов с макроскопической Трещиной под действием излучения импульсного ОКГ // Тез. докл. IV международной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов". Воронеж. Изд-во ВГТУ. - 1996, с. 18.

U. Федоров В.А., Ушаков И.В., Шелохвостов В.П. Морфология разрушения кальцита при оптическом пробое II Тез. докл. международной конференции "Мнкромеханнзмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлении". Тамбов. Изд-во ТГУ. - 1996, с. 209.

12. Федоров В.А., Ушаков И.В., Шелохвостов В.П. Исследование разрушения щелочно-галондных кристаллов с макроскопической трещиной под действием излучения ОКГ II Тез. докл. международной конференции "Мнкромеханнзмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений". Тамбов. Изд-во ТГУ. - 1996, с. 161.

13. Feodorov V.A., Ushakov I.V., Shelohvostov V.P. Investigation of failure of crystals with former macrocrack under radiation of a pulse laser II Nondestructive testing and computer simulations in materials science and engineering. St. Petersburg. - 1997, F9.

14. Feodorov V.A., Ushakov I.V., Pluslmikova T.N. Interaction of la-scr-induced and initial defects in transparent single crystals H Nondestructive testing and computer simulations in materials science and engineering. St.Petersburg State tech. university, preprints. - 1998, G3b.

15. Федоров B.A., Ушаков И.В., Шелохвостов В.П. О механизме лазерно-нндуцированного роста макротрещин в оптически прозрачных кристаллах // Тез. докл. IX международной конференции "Взаимодействие дефектов н ncynpvnie явления в твердых телах". Тула. Изд-во ТулГУ. - 1997, с. 47-48.

У^¿¿Шк.ч^