3.2 Особенности возникновения плазменного образования вблизи поверхности оптических материалов и его взаимосвязь с их реальной оптической стойкостью

При средней плотности мощности лазерного излучения W_Ecp ≥ 6÷10 Дж/см² перед поверхностями большинства образцов возникало плазменное образование.

Таблица 3.1- Пороги оптической стойкости прозрачных кристаллов к действию излучения импульсного CO₂- лазера

после воздействия первым импульсом ЛИ с плотностью энергии W = 6 Дж/см² возник

плазменный факел и на поверхности образца появилось темное пятно неправильной формы.

Плазменное образование заметно снижало пропускание образцом лазерного излучения, что качественно регистрировалось на термобумаге, расположенной за образцом.

В таблице 3.1 приведены средние значения пороговой плотности энергии этого явления для 11 видов исследовавшихся в этом эксперименте кристаллов. Незначительная разница в порогах, хотя и имеет место, но она почти не превышает разброса в порогах для различных образцов одного и того же материала. На величине

порога более заметно сказывается качество поверхности образца.

В данной работе этот эффект был проверен на предварительно состаренных в атмосфере лабораторного помещения образцах сколов KBr.

В этом случае выколотые образцы бромида калия не подвергались немедленному воздействию, как обычно, а выдерживались в течение суток в лабораторном помещении. После такого старения поверхность образцов мутнела вследствие адсорбции паров воды из воздуха. Порог возникновения плазменного образования перед поверхностью этих образцов снижался примерно вдвое. Если в процессе воздействия возникал плазменный факел, то вокруг зоны воздействия и в ней самой поверхность образца эффективно очищалась. Форма и размеры данной зоны соответствовали форме и размерам плазменного факела. Площадь поверхности очищенной зоны составляла примерно 1,5 см². К сожалению, эффект лазерной очистки сопровождался растрескиванием приповерхностного слоя.

Плазменное образование способно возникать как вблизи входной, так и выходной поверхностей образца, или даже обеих одновременно. При воздействии на образцы материалов с низким показателем преломления (п), таких как, например, ЩГК, плазменное образование несколько чаще возникало на выходной поверхности. В таком случае некоторое превышение плотности энергии над пороговым значением W_En приводило к возникновению плазменного образования не только вблизи выходной, но и около входной поверхностей (рисунок 3.8 г.).

кристаллов.

Рисунок 3.8 - Фотографии плазменных образований в объеме и вблизи поверхности выколотых образцов ЩГК

Время жизни плазменного образования τ_π ≈ 20÷25 мкс существенно выше длительности воздействующего излучения, причём максимум интенсивности света

факела приходится на момент окончания процесса воздействия, а далее наблюдается экспоненциальное снижение интенсивности излучения. На рисунке 3.11 показаны типичные осциллограммы импульсов лазерного излучения и света плазменного факела на длине волны 0,63 мкм.

Рисунок 3.11 - Форма импульса свечения плазмы факела (II, λ = 0,63 мкм), образовавшегося на поверхности образца в результате воздействия лазерного импульса (I)

по

При исследовании в одном эксперименте процесса возникновения плазменного образования вблизи поверхности весьма различающихся по своим свойствам монокристаллов неожиданно выяснилось, что пороги возникновения этого явления в образцах, использовавшихся в данной работе, очень близки между собой, невзирая на существенную разницу в физико-химических свойствах материалов, из которых они были изготовлены. Гораздо более важным фактором, влияющим на величину порога появления плазменного образования около поверхности образца, явилось качество поверхности кристалла, в частности, наличие в приповерхностном слое адсорбированной воды [161-166].

Рисунок 3.12- Розетки двулучепреломления вокруг объемных повреждений

Представляет интерес и другой факт: порог возникновения плазменного образования перед поверхностью прозрачной мишени на порядок ниже порога оптического пробоя воздуха лабораторного помещения при том же сечении лазерного луча и весьма близок к порогу возникновения пробоя воздуха перед непрозрачной преградой [176, 177]. Процесс плазмообразования при действии импульсного излучения с λ = 10,6 мкм на преграду значительно отличается от подобного явления, наблюдаемого при использовании излучения видимой и ближней ПК - областей спектра. Вынос массы материала с поверхности мишени в данном случае весьма незначителен, то есть испарительная стадия процесса воздействия пренебрежимо мала. В этой ситуации роль паров воды, испарённых с поверхности образца, очень велика, так как вода, видимо, преобладает в парах вещества вблизи преграды. Тогда пробой воздуха инициируется пробоем в парах воды, которых оказывается вполне достаточно, чтобы «зажечь» данный процесс. На этом явлении основан механизм «лазерной» очистки [164], заключающейся в удалении с поверхности оптического элемента адсорбированной влаги.

Интересны сведения о влиянии показателя преломления материала образца на вероятность появления плазменного образования вблизи входной и выходной поверхностей. Это явление подробно исследовано, как экспериментально, так и теоретически, при разрушении стекол излучением твердотельных лазеров, сфокусированным короткофокусной линзой [324]. Вероятность оптического пробоя около выходной грани оказывается выше, чем около входной поверхности. Данный эффект вызван влиянием френелевских отражений от поверхностей образца.

Эта формула, выведенная теоретически, подтверждена экспериментально. В нашем эксперименте сечение луча было практически одинаковым как на входной, так и

на выходной поверхностях, поскольку фокусировка производилась длиннофокусной линзой, и исследуемый образец полностью располагался в каустике линзы. Тем самым моделировались условия прохождения реального лазерного луча через оптический элемент, поэтому на передней поверхности наблюдалась интерференция основного луча с отражениями от обеих поверхностей.

При воздействии на образцы материалов с невысоким показателем преломления, таких как ЩГК, плазменное образование возникало и на входной и на выходной поверхностях (хотя на выходной и несколько чаще). Тогда, как в полупроводниках, имеющих высокий показатель преломления - германии и арсениде галлия - только на входной поверхности, интенсивность излучения на которой, за счёт высокого значения френелевского отражения, была заметно выше, чем на выходной.

Если в экспериментах с малыми зонами облучения влияние плазменного образования на процесс воздействия было сравнительно небольшим, то при больших площадях зоны воздействия плазменное образование, в котором за малое время выделяется заметная энергия, становится источником разного рода вторичных воздействий на оптический элемент, которыми уже нельзя пренебрегать. Рассмотрим вкратце особенности такого воздействия, а далее приведём результаты специально поставленных экспериментов, проведённых с целью их выявления и изучения.

Существует и другой фактор воздействия лазерной плазмы на оптический элемент. Это так называемый «эффект переизлучения» [177, 317], сущность которого заключается в том, что некоторая, весьма заметная, доля энергии лазерного импульса, поглощённая в плазме, затем частично переизлучается и также может воздействовать на исследуемый материал. Лазерная плазма является широкополосным источником не только видимого и ИК - света, но и имеет весьма заметные УФ, ВУФ и даже рентгеновскую компоненты. Энергетический баланс спектрального состава излучения плазменного образования, естественно, существенно зависит от условий воздействия.