3.3 Морфология объёмных и поверхностных повреждений оптических материалов, возникающих в результате воздействия

В использовавшихся в эксперименте образцах (кроме селенида цинка) до воздействия не замечалось сколько либо заметного рассеяния в луче гелий-неонового лазера. C помощью светового микроскопа видимых дефектов структуры кристалла также выявить не удалось.

Как отмечалось выше, уже при допороговых потоках, при плотности энергии лазерного импульса ~ 1÷5 Дж/см², в объёме и на поверхности образцов наблюдалось характерное свечение (рисунки 3.9, 3.10). В зоне, где наблюдалось свечение, после воздействия с помощью световой микроскопии, выявлялись специфические структурные микродефекты. Морфология этих дефектов заметно зависела от физико- химических свойств материала.

В то же время, несмотря на различие в свойствах столь разных материалов, появившиеся дефекты имели много общего между собой. В приповерхностном слое большинства кристаллов появились микрократеры. На поверхности пластичных ионных и полупроводниковых кристаллов обнаруживались не только кратеры, но и поднятия. Форма некоторых из них, например, в CsI, КРС-5, КРС-6, имела правильную пирамидальную огранку. Морфология этих дефектов свидетельствует, что природа их образования идентична: все они являются следствием точечного микровзрыва в объёме кристалла вблизи поверхности (рисунок 3.12).

Объёмные дефекты также, по-видимому, возникли в результате выделения энергии лазерного излучения в локальном микрообъёме кристалла за весьма короткое время. Объёмная концентрация таких дефектов достигает 10³÷10⁵см'³. Эти нарушения структуры являются концентраторами значительных внутренних напряжений, приводящих к возникновению вокруг них розеток двойного лучепреломления. Если дефекты сопровождаются микротрещинами, то розетки

значительно меньше.

Рисунок 3.13- Пирамидальные каверны на поверхности пластины NaCl; W_p = 5. IO⁷ Вт/см²

Возникновение плазменного образования вблизи поверхности образцов большинства материалов сопровождается появлением характерных поверхностных

повреждений, наблюдаемых невооружённым глазом. Повреждение щёлочно- галоидных монокристаллов проявлялось в растрескивании приповерхностного слоя той грани, вблизи которой наблюдался плазменный факел. Глубина этих микротрещин обычно достигала ~ 1 мм. В пластичных ионных кристаллах на

повреждаемой поверхности появлялась достаточно устойчивая окраска и характерные следы кристаллографического скольжения. В образцах германия и арсенида галлия заметно возрастало число микрократеров, а в ZnSe возникали трещины. Как уже сообщалось ранее, плазменное образование само по себе является серьёзным поражающим фактором, поэтому правомочен вопрос: возникает ли плазма вследствие появившихся повреждений поверхности образца или кристалл повреждается образовавшейся плазмой?

Для выяснения этого вопроса был проведён прямой эксперимент: вблизи облучаемого образца кристалла NaCl параллельно лазерному лучу, но так, чтобы воздействие излучения было исключено, устанавливался аналогичный образец.

Повреждения, возникшие в образцах, поражённых при воздействии лазерного излучения, имеют характерную морфологию. Поскольку исследовавшиеся монокристаллы по своим физико-химическим свойствам оказалось целесообразно подразделить на три подгруппы, то и изложение результатов эксперимента по воздействию, а также их анализ, удобней проводить по этим же подгруппам.

Начнём с подгруппы щёлочно-галоидных монокристаллов. В эксперименте исследовались образцы 4-х видов кристаллов из этой подгруппы: NaCl, KBr, KCl и RbI. Образцы первых трёх кристаллов были двух типов - с полированной поверхностью, а также огранённые путём раскалывания по плоскостям спайности {100}. Образцы йодистого рубидия были только второго вида. Основные эксперименты проводились на образцах с поверхностью чистого скола, соприкасавшейся с атмосферой помещения не более 1÷3 минут до момента

воздействия. На тех гранях монокристаллов, около которых возникало плазменное образование, всегда появлялась сетка взаимно ортогональных микротрещин длиной до 10÷15 мм. Растрескивание происходило по плоскостям спайности. Как правило, глубина трещин на поверхности скола ~ 0,1 мм, но встречались трещины глубиной до 1÷2 мм. Площадь повреждённой поверхности достигала ~ 1,5 см². Средняя плотность возникших трещин на поверхности приблизительно 10÷15 см'¹ (рисунок 3.13). В центре повреждённой зоны часто наблюдался «крест» из двух основных трещин, глубина которых заметно больше других. Плотность трещин, возникших на поверхности оптически обработанных образцов, была на порядок выше.

Превышение плотности энергии лазерного излучения в 2÷3 раза над пороговым значением иногда приводило к появлению объёмных макротрещин вблизи дефектов (рисунок 3.13 а). Для подобного случая характерно также образование крупных каверн на поверхности образцов, и даже возможно катастрофическое разрушение образца (дробление на множество мелких осколков). Следует отметить, что в отдельных образцах, в случае, когда наблюдался ранний отрыв плазменного образования от поверхности образца и движении его навстречу лазерному лучу (рисунок 3.8 ж) следы заметных разрушений отсутствовали как в объёме, так и на поверхности.

В приповерхностном слое некоторых образцов ЩГК, соприкасавшихся с плазмой, наблюдалась генерация короткоживущих центров окраски. Поверхность монокристаллов NaCl окрашивалась в желтоватый цвет, KCl - в сине-фиолетовый, а KBr - в зеленоватый. Визуально, следы этой окраски обычно исчезали через 2÷3 минуты после воздействия.

Из подгруппы пластичных ионных монокристаллов были исследованы наиболее часто применяемые в ПК - области материалы: CsI, КРС-5, КРС-6, AgCl. Морфология повреждений в пластичных ионных кристаллах заметно отличалась от наблюдавшихся в ЩГК. На поверхностях образцов, вблизи которых возникал

плазменный факел, появлялись следы кристаллографического скольжения (рисунок 3.12 б). Форма деформированных участков размером 3÷10 мм близка к округлой. Зачастую эти участки изменяли свою окраску, темнели. Следы потемнения сохранялись в течение длительного времени. Пропускание потемневших областей в ИК - области после воздействия заметно снижалось (до 20÷40 %). В процессе измерения спектра пропускания образца хлорида серебра в спектрофотометре «Hitachi-225» (рабочая температура внутри прибора - 4O^oC) происходил частичный отжиг этих областей, но полностью окраска не удалялась, и пропускание в ИК - области до конца не восстанавливалось.

Значительно меньше повреждений возникало на поверхности полупроводниковых монокристаллов ZnSe, GaAs и Ge.

Соотношение площадей повреждённых участков и сечения лазерного луча в зоне воздействия различается для кристаллов вышеупомянутых подгрупп. Для ЩГК эта величина составляет ~ 0,5÷2; для пластичных ионных кристаллов - ~ 0,2÷0,5; а для полупроводников - менее ~ 0,2. Следует отметить, что подобные повреждения легко удаляются с поверхности пластичных ионных и полупроводниковых монокристаллов

путём переполировки.

Даже при плотности мощности излучения, меньшей порога возникновения плазменного образования, «лазерные дефекты» начинали появляться во многих кристаллах (например, NaCl, KBr, KCl, КРС-5, КРС-6, CsI, ZnSe). Это происходило при средней плотности энергии излучения менее 5 Дж/см². Морфология дефектов и определённая хаотичность их расположения в образце свидетельствуют, что данные повреждения возникли вследствие явления, феноменология которого изучена весьма подробно, - оптического пробоя на поглощающих микронеоднородностях.

В других кристаллах лучшего оптического качества с помощью существующих методов обнаружения однозначно выявить до воздействия поглощающие неоднородности, ответственные за подобные повреждения, крайне трудно, а подчас и практически невозможно, несмотря на то, что объёмная концентрация повреждений на поглощающих неоднородностях, наблюдаемых с помощью микроскопа в облучённых образцах, достигает величины IO⁵см'³. Возникшие повреждения размером до 50÷100 мкм, естественно, рассеивали лазерное излучение, но на практике (с эксплуатационной точки зрения), зачастую, приходится мириться с дефектами подобного рода, так как целостность оптической детали при этом не нарушается и заметного уменьшения интенсивности прошедшего излучения не происходит.

Резкое снижение пропускания в исследовавшихся монокристаллах наблюдалось лишь при возникновении плазменного образования перед поверхностью образца, что происходило при плотности энергии We∏ = 6÷10 Дж/см². Хотя и не во всех материалах при этом наблюдались серьёзные повреждения, мы считаем, что порог возникновения плазменного образования и является реальным порогом стойкости оптических материалов для импульсных CO₂- лазеров. В то же время это

плазменное образование является мощным источником вторичного воздействия - теплового, механического и светового.

Возникновение плазменного образования сопровождалось резким ростом степени повреждения в образцах большинства исследовавшихся нами материалов. Характер зафиксированных повреждений существенным образом зависит от физико- химических свойств материала. При анализе морфологии возникших дефектов наглядно проявилась разница между различными подгруппами материалов.

В щёлочно-галоидных монокристаллах, которые являются хрупкими материалами с низким пределом прочности, основным типом повреждений было растрескивание поверхности. В пластичных ионных кристаллах, имеющих низкий предел текучести, в результате воздействия возникает кристаллографическое скольжение, то есть происходит пластическая деформация. На поверхности полупроводниковых кристаллов германия и арсенида галлия - материалах с хорошими механическими свойствами - зафиксированы незначительные повреждения, вызванные оптическим пробоем поглощающих микронеоднородностей в приповерхностном слое.

Повреждения поверхности ионных кристаллов наблюдались только в местах контакта образца с плазменным образованием. Они присутствовали как в зоне непосредственного воздействия лазерного излучения, так и в прилегающих к ней областях. На наш взгляд, полученные экспериментальные результаты дают основание полагать, что эти участки являются местами релаксации термомеханического воздействия плазменного образования на образец кристалла. Как известно, механические характеристики поверхности оптических элементов после обработки, которая всегда сопровождается образованием трещиноватого слоя, несколько ухудшаются по сравнению с поверхностью чистого скола. Это сразу сказывается на стойкости образца к воздействию плазменного образования - плотность трещин на поверхности резко возрастает.

Ионные кристаллы весьма чувствительны к воздействию радиации. Воздействие жёсткого коротковолнового излучения, поглощённого материалом, вызывает появление в монокристалле точечных дефектов, называемых центрами окраски [111]. Присутствие этих дефектов в кристаллах обнаруживается по появлению в спектре пропускания полос поглощения, обычно наблюдаемых в

видимой области. Наиболее часто встречаются так называемые F - центры, образующиеся при захвате вакантным анионным узлом электрона, который выбит жёстким квантом из катиона. F - центры, как впрочем и другие точечные дефекты, склонны к коагуляции с образованием более сложных дефектов, вплоть до образования коллоидов металла. Окраска ЩГК, наблюдавшаяся сразу после воздействия лазерного импульса сверхпороговой интенсивности, соответствует F - полосам этих монокристаллов. В ЩГК F - центры могут создаваться за счёт распада электронных возбуждений в результате действия ВУФ - излучения [111]. Энергия, необходимая для образования одного F - центра, имеет величину ~ 1 КэВ. Концентрация F - центров, позволяющая визуально наблюдать окраску, составляет приблизительно 10¹⁴÷10¹⁵см'³. При глубине окрашенного слоя ~ 0,l÷l мм, которую мы наблюдали в наших экспериментах, из этих данных можно оценить, что на создание F - центров затрачивается примерно (10'⁸÷10'⁴)?W_ecp.Эта энергия поступает в образец от излучения образовавшейся воздушной плазмы. Окраска галоидов серебра и таллия, а также CsI, более устойчива и обусловлена, видимо, прямым образованием мелкодисперсных коллоидов металла, возникших в результате фотолиза матрицы. В самом деле, эти монокристаллы имеют коротковолновый край поглощения в ближней УФ и, отчасти, в видимой областях спектра, то есть по сравнению с ЩГК он заметно сдвинут в длинноволновую область. Следовательно, они поглощают значительно большую дозу излучения плазменного образования, которая, ввиду склонности данных галоидов к фотолизу, приводит к образованию коллоидных частиц.

В полупроводниковых кристаллах, обладающих гораздо более высокой радиационной стойкостью, какие-либо остаточные радиационные эффекты при визуальном осмотре не обнаружены.