Влияние щелочноземельных примесей на пороги оптического разрушения и накопление лазерного повреждения при допороговом воздействии в кристаллах хлористого калия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Московский институт стали и сплавов

На правах рукописи

Васильева Лидия Анатольевна

ВЛИЯНИЕ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ ПРИМЕСЕЙ НА ПОРОГИ ОПТИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ И НАКОПЛЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ ПРИ ДОПОРОГОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ В КРИСТАЛЛАХ ХЛОРИСТОГО КАЛИЯ

01.04.07 - физика твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-

математических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Блистанов Александр Алексеевич

Москва, 1999

Содержание

Содержание стр.

Введение 4

1. Литературный обзор 15

1.1. Механизмы разрушения прозрачных диэлектриков мощным лазерным излучением 15

1.2. Несобственные механизмы лазерного разрушения 21

1.3. Накопление лазерного повреждения в прозрачных диэлектриках 27

1.4. Образование первичных дефектов под действием лазерного излучения и их роль в оптическом разрушении ЩГК 40

2. Методы экспериментов 49

2.1. Выращивание кристаллов и приготовление образцов 49

2.2. Метод измерения рассеяния света 50

2.3. Оптоакустический метод изучения взаимодействия лазерного излучения с веществом и измерение

порогов разрушения 57

3. Влияние состояния примеси на пороги оптического разрушения KCl 67

3.1. Характеристики выращенных кристаллов KCl с щелочноземельными примесями 67

3.2. Исследование состояния щелочноземельных примесей

в KCl методом рассеяния света 68

3.3. Влияние состояния примеси на порог оптического

разрушения KCl 73

4. Исследование накопления лазерного повреждения

в хлористом калии 105

4.1. Исследование эффекта накопления в хлориде калия при облучении лазерными импульсами допороговой интенсивности 105

4.2. Зависимость амплитуды акустического сигнала от интенсивности лазерного излучения 108

4.3. Релаксация изменений, происходящих в веществе

под действием лазерного излучения 110

4.4. Измерение оптических и ЭПР-спектров образцов KCl, подвергавшихся многократному облучению лазерными импульсами допороговой интенсивности 114

5. Обсуждение результатов 134

5.1. Разрушение с одного импульса 134

5.2. Накопление лазерного повреждения 143

Выводы 158

Литература 161

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Создание технологических лазеров определило актуальность проблемы взаимодействия лазерного излучения с веществом. Лазерная техника требует применения материалов, способных выдержать высокие мощности излучения, что в значительной степени определяется прозрачностью материалов для лазерного излучения.

Прозрачность щелочно-галоидных кристаллов /ЩГК/ в широком интервале длин волн делает их перспективными материалами для проходной оптики мощных газовых лазеров. Однако недостаточная механическая прочность этих кристаллов существенно снижает возможности их применения. Выяснение механизмов лазерного разрушения, влияния на них факторов, определяющих прозрачность и прочность кристаллов, имеет не только научное, но и практическое значение.

Выбор КС1 для исследований обусловлен тем, что из класса ЩГК кристаллы хлористого калия менее гигроскопичны, более прозрачны и обладают меньшим значением коэффициента теплового линейного расширения, технологичны.

На прозрачность и прочность кристаллов в большой мере влияет наличие примесей и состояние, в котором находится примесь. Выбор примесей щелочноземельных ионов для легирования /Бг, Са, Ва, РЬ/ в данной работе обусловлен тем, что в кристаллах, выращенных из сырья марки х.ч. или ос.ч. всегда имеется некоторое количество таких примесей. Образуя комплексы, выделения метастабильных и стабильных фаз, а также комплексы с анионозамещающими двухвалентными примесями в процессе старения кристалла, они влияют на оптическое качество кристаллов. С другой стороны, известно, что добавление щелочноземельных примесей приводит к механическому упрочнению кристаллов ЩГК, что является немаловажным в связи с низкой механической прочностью этих кристаллов.

Цель и задачи работы . Целью работы является изучение влияния щелочноземельных примесей на оптическое разрушение и накопление лазерного повреждения в кристаллах хлористого калия.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Провести моделирование процессов естественного старения кристаллов путем легирования щелочноземельными примесями, состояние которых изменяется термообработкой и контролируется методом рассеяния света. Такое моделирование позволяет получить образцы для исследования оптической прочности с контролируемой дефектностью, в малом облучаемом объеме получить достаточную концентрацию дефектов.

2. Изучить влияние дефектности кристалла, обусловленной процессами растворения и коагуляции примеси, на пороги оптического разрушения КС1.

3. Изучить оптоакустическим методом кинетику процесса накопления лазерного повреждения - изменение поглощения света в облучаемом объеме в процессе многократного лазерного воздействия допороговой интенсивности.

4. Исследовать влияние легирования и внешних воздействий (ультрафиолетового облучения и приложения постоянного электрического поля) на процессы накопления лазерного повреждения.

5. Изучить процессы релаксации дефектов, наведенных лазерным излучением допороговой интенсивности.

6. Исследовать природу дефектов, наведенных многократным лазерным воздействием допороговой интенсивности методами оптической и ЭПР - спектроскопии.

Научная новизна. В сравнении с известными результатами данная работа вносит в исследование проблемы оптического разрушения ЩГК следующее:

1. Впервые проведены систематические исследования влияния состояния, в котором находится щелочноземельная примесь в кристалле, на пороги оптического разрушения хлористого калия с контролем состояния примеси методом рассеяния света под действием импульсов излучения рубинового лазера (длина волны 0,69 мкм, длительность импульса 12 не, диаметр фокальной области 6 мкм).

2. Впервые получены концентрационные зависимости порогов оптического разрушения в данных условиях облучения для кристаллов хлористого калия с примесью стронция в широком интервале концентраций (10~3 -10"1 мол%) с контролем концентрации примеси методом атомной абсорбции и фотометрии пламени и состояния примеси методом рассеяния света.

Показано, что процессы коагуляции примеси приводят к снижению оптической прочности кристаллов в несколько раз, в то время как растворение примесных коагулянтов приводит к повышению оптической прочности с ростом концентрации примеси.

3. Показано, что в кристаллах КС1 наблюдается накопление лазерного повреждения при многократном воздействием импульсов лазерного излучения допороговой интенсивности наносекундной длительности длиной волны 1,06 мкм при диаметре пятна воздействия в несколько десятков микрометров.

4. В результате изучения кинетики процесса накопления лазерного повреждения кристаллов КС1 оптоакустическим методом, полученных зависимостей акустического отклика от количества импульсов облучения при постоянной интенсивности лазерного излучения для различных значений интенсивности допорогового лазерного воздействия длиной волны 1,06 мкм, показано, что накопление лазерного повреждения начинает проявляться при интенсивности света 0,4 1пор ( где 1шр - порог лазерного разрушения с одного импульса ), а число импульсов, которое образец выдерживает до разрушения, N ~ I"4 .

5. Обнаружен гистерезисный характер зависимости акустического отклика от интенсивности лазерного излучения при облучении одного и того же объема кристалла, обусловленный накоплением лазерного повреждения.

6. Обнаружены и исследованы оптоакустическим методом процессы релаксации дефектов, наведенных лазерным излучением 1,06 мкм в облучаемом объеме.

7. Обнаружены изменения в спектрах оптического поглощения и ЭПР -спектрах после многократного облучения лазерными импульсами допороговой интенсивности длиной волны 1,06 мкм, позволяющие оценить размеры коллоидных частиц, образующихся в процессе многократного лазерного воздействия допороговой интенсивности (до 100 нм в нелегированных и 400-500 нм в легированных щелочноземельными примесями).

Научная и практическая ценность работы . Исследования в области лазерного разрушения щелочногалоидных кристаллов имеют не только научное, но и практическое значение в связи с применением этих кристаллов в лазерной технике. Одним из факторов, ограничивающих применение оптических материалов в квантовой электронике, является процесс накопления лазерного повреждения, протекающий в оптических материалах, подвергающихся в процессе работы лазерному облучению. Накопление дефектов приводит к снижению оптической стойкости материалов и в конечном итоге к разрушению. Поэтому исследование эффекта накопления лазерного повреждения имеет практическое значение.

В работе предлагается метод неразрушающего контроля оптического качества кристаллов, основанный на измерении зависимости акустического отклика от интенсивности лазерного излучения при облучении одного и того же объема материала А(1). Сравнение оптического качества кристаллов при этом проводится не по пороговым значениям интенсивности, а по

значениям, соответствующим выходу на нелинейный участок зависимости А(1).

Объекты исследования работы:

Кристаллы хлористого калия (KCl) из класса щелочно-галоидных кристаллов (ЩГК), представляющие практический интерес для лазерной техники (активные кристаллические среды твердотельных перестраиваемых по частоте квантовых генераторов видимого и ближнего ИК-диапазона, проходная оптика мощных газовых лазеров ).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Пороги оптического разрушения кристаллов KCl определяются не общей концентрацией примеси, а состоянием, в котором находится примесь. Кристаллы, в которых примесь находится в состоянии твердого раствора, имеют высокие пороги разрушения, сравнимые с порогами разрушения нелегированных кристаллов.

Коагуляция примеси приводит к снижению порогов оптического разрушения на порядок по сравнению с чистыми кристаллами.

2. Пороги лазерного разрушения кристаллов KCl определяются главным образом наличием примесных коагулянтов, слабо зависят от их концентрации и размеров в пределах наблюдающегося изменения этих параметров, и не зависят от их преимущественной ориентации относительно главных кристаллографических направлений.

3. Полученные экспериментальные результаты для нелегированных кристаллов KCl и легированных кристаллов, содержащих примесь в состоянии твердого раствора, не противоречат лавинной модели оптического разрушения диэлектриков.

4. При многократном воздействии лазерного излучения (А, = 1,06 мкм, т «10~8 с, dk ~ 60 мкм) допороговой интенсивности происходит накопление лазерного повреждения в кристаллах КС 1, которое проявляется в увеличении поглощения света в облучаемом объеме. Увеличение поглощения света является обратимым. Накопившиеся изменения

полностью релаксируют за время порядка суток при комнатной температуре и естественном освещении.

5. Процессы накопления лазерного повреждения протекают более эффективно в легированных щелочноземельными примесями кристаллах КС 1.

6. Полученные экспериментальные данные по эффекту накопления лазерного повреждения и изучению природы дефектов, образующихся в процессе многократного лазерного воздействия допороговой интенсивности в кристаллах KCl, методами оптической и ЭПР-спектроскопии не противоречат фотохимической модели процесса накопления лазерного повреждения.

Публикации и апробация работы. По результатам работы опубликовано 11 статей и тезисов выступлений на конференциях [186196], в том числе 4 в центральной научной печати в журналах "Кристаллография" и Известия ВУЗов (Сер. "Материалы электронной техники").

Результаты проведенных исследований докладывались на:

- VII и VIII конференциях по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом ( Ленинград, 1988, 1992 ),

- Федоровской сессии ( Ленинград, 1982, 1985, 1986 гг. ),

- VI Всесоюзной конференции по физике диэлектриков (Томск,

1988),

- Международной конференции по росту и физике кристаллов, посвященной памяти М.П. Шаскольской (Москва, 1998 ),

- научных конференциях профессорско-преподавательского состава Московского института стали и сплавов и Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии (1982-1998),

- научных семинарах кафедры кристаллофизики МИСиС и кафедры физики ВолгГАСА.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 183

стр. текста, содержит 50 рисунков, 3 таблицы и библиографию из 196 наименований.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием в работе современных, хорошо апробированных физических методов исследования и статистической обработки экспериментальных результатов, непротиворечивостью выводов исследования основным физическим закономерностям и теоретическим моделям. Исключение влияния случайных факторов обеспечивается одинаковыми условиями выращивания кристаллов из одной партии сырья и приготовления образцов, контролем концентрации и состояния примеси в образцах, надежной повторяемостью экспериментальных результатов.

Личный вклад автора. Автор диссертации принимал непосредственное участие в создании экспериментальной установки для исследования эффекта накопления оптоакустическим методом. Автором самостоятельно получено и обработано большинство приводимых экспериментальных результатов, включая выращивание кристаллов, кроме оптических и ЭПР измерений, в обработке и обсуждении которых автор принимал непосредственное участие. Анализ и обобщение данных осуществлены совместно с научным руководителем и соавторами публикаций.

Содержание работы. Во введении_обосновывается выбор темы диссертации, ее актуальность, цель, новизна, практическое значение и формулируются защищаемые в ней положения.

В главе 1 (литературный обзор) рассматриваются теоретические модели механизмов оптического пробоя и накопления лазерного повреждения в твердых прозрачных диэлектриках, обсуждаются экспериментальные результаты по оптическому пробою и влиянию примесей на пороги оптического пробоя, а также по эффекту накопления в твердых прозрачных диэлектриках.

Отмечается, что влияние примесей на оптическое разрушение, а также эффекты накопления при многократном воздействии лазерного излучения для щелочно-галоидных кристаллов изучены недостаточно.

Поскольку накопление лазерного повреждения в ЩГК может быть связано с образованием структурных дефектов, проводится обзор литературы по вопросам образования первичных дефектов под действием лазерного излучения, а также по вопросам влияния дефектов типа центров окраски на пороги лазерного разрушения кристаллов ЩГК.

В главе 2 описаны методики, применяемые для исследований в данной работе.

Кристаллы КС1 с примесями щелочноземельных металлов Бг, Са, Ва, РЬ и без примесей выращивались методом Киропулоса на воздухе из одной партии сырья марки ос.ч.

Для оценки однородности распределения примеси в выращенных кристаллах применялся метод индентирования на микротвердомере ПМТ-3 и метод избирательного травления для изучения звезды фигур травления и дислокационной структуры выращенных кристаллов.

Концентрация примеси в образцах определялась методом атомной абсорбции и фотометрии пламени, который позволяет определять содержание примеси с точностью до 10 "4 мол% .

Для исследования процессов сегрегации примеси и контроля состояния примеси в кристалле применялся метод рассеяния света. Для измерения порогов оптического разрушения и изучения взаимодействия оптического излучения допороговой интенсивности с веществом оптоакустическим методом была создана экспериментальная установка. Источником излучения служат оптические квантовые генераторы на рубине и на монокристалле алюмоиттриевого граната, легированного неодимом, работающий в режиме с модуляцией добротности.

Для исследования природы дефектов, возникающих в объеме кристалла, облученном лазерными импульсами допороговой интенсивности, изучались спектры оптического поглощения на спектрофотометре КСВУ-2 и спектры

электронного парамагнитного резонанса на ЭПР-спектрометре ЕЯ-20(Ж фирмы "Брукер".

В главе 3 излагаются результаты исследования влияния состояния щелочноземельной примеси в кристалле, на пороги оптического пробоя хлористого калия.

Приведены характеристики выращенных кристаллов КС1 с щелочноземельными примесями. Получено распределение плотности дислокаций в поперечном сечении кристалла, а также результаты измерения микротвердости и длины лучей звезды фигур травлени�