Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
125
ских материалов, используемых в проходной оптике мощных ИК-лазеров, основным критерием их работоспособности становится оптическая, или лазерная прочность. Под термином «лазерная (оптическая) прочность» понимается способность материала сохранять свои оптические свойства без необратимых изменений под воздействием лазерного излучения, а под «лазерным (оптическим) разрушением» понимаются необратимые изменения свойств кристалла под действием света. В отличие от «оптического повреждения» (optical damage), наблюдаемого под действием света в сегнетоэлектршсах и объясняемого изменением электронной подсистемы кристалла, при «оптическом разрушении» происходит необратимое изменение кристаллической структуры. Эти необратимые изменения обычно приводят к потере сплошности материала и его механическому разрушению.
Причины лазерного разрушения и возможности повышения лазерной прочности в последнее время привлекали большое внимание исследователей и технологов. Лазерная прочность важна не только для оптики мощных газовых лазеров, проблемы, связанные с разрушением прозрачных сред, возникают и при эксплуатации мощных твердотельных лазеров.
Механизмы лазерного разрушения можно разделить на две группы:
1) разрушение, определяемое свойствами самого материала, - это так называемые «собственные» механизмы лазерного разрушения;
2) разрушение с участием дефектов кристаллического строения, главным образом, примесных дефектов (микровключений, пузырей и др.).
Эти механизмы оптического разрушения называют «несобственными».
К явлениям, определяющим собственные механизмы оптического разрушения, можно отнести:
а) многофотонную ионизацию (ионизация в результате одновременного поглощения электроном нескольких квантов) [1];
б) самофокусировку (под действием излучения среда приобретает фокусирующие свойства в результате фоторефракции, вызванной электр о оптическим эффектом, электросгрикцией и др.) [2, 3];
в) лавинную ударную ионизацию - возникновение электронной лавины под действием электромагнитного поля лазерного излучения [193].
6.1. СОБСТВЕННЫЕ МЕХАНИЗМЫ ОПТИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ
Собственные механизмы оптического разрушения могут играть роль при воздействии излучения высокой плотности мощности, которая может быть получена в сфокусированных пучках при импульсном
126
излучении. Основной собственный механизм оптического разрушения - механизм ударной ионизации, или «электронная лавина». Процесс разрушения при ударной ионизации аналогичен электрическому пробою диэлектрика, когда присутствующие в малом количестве в диэлектрике свободные электроны ускоряются электрическим полем световой волны до скоростей, достаточных для ударной ионизации, рождающей новые электроны, которые в свою очередь ускоряются, рождая электронную лавину. Аналогичные механизмы определяют оптический пробой в газах. Этот процесс характеризуется пороговым значением напряженности поля, которая определяется из условия равенства скоростей набора энергии электроном и потерь энергии за счет ее передачи фононному спектру кристаллической решетки. При стационарном режиме пороговая интенсивность определяется из условия равенства характеристических частот ионизации (v, - частота ионизации) и потерь (vi - частота столкновений электрона с атомами). Особенностью пробоя в оптическом луче является то, что это пробой в переменном высокочастотном поле. При коротких импульсах частота ионизации должна превосходить частоту потерь, чтобы за время действия поля могло возникнуть достаточно большое количество электронов. В этом случае характеристическая постоянная рождения лавины уо
Уо1 = гЧп(М/Л/о), (6-1)
где t - длительность импульса;
М> и Ni - начальное и конечное число электронов соответственно.
Из (6.1) следует, что скорость развития процесса оптического разрушения при лавинном механизме слабо зависит от числа начальных электронов, но возможность возникновения лавины резко уменьшается, если их нет совсем или очень мало. Не исключая возможности собственных механизмов оптического разрушения кристаллических материалов, следует отметить, что на практике их влияние невелико.
6.2. НЕСОБСТВЕННЫЕ МЕХАНИЗМЫ
ОПТИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ
Многочисленные исследования показывают, что лазерное разрушение кристаллов при их использовании в качестве активных элементов или элементов проходной оптики происходит с участием дефектов кристаллической структуры. Основными дефектами, определяющими лазерную прочность, являются:
а) поверхность кристалла, являющаяся областью с пониженной механической прочностью и повышенным (по сравнении? с объемом) по-
127
глощением света вследствие собственной дефектности и возможности адсорбции на поверхности поглощающих примесей. В частности, такой поглощающей примесью в гигроскопичных ЩГК является вода;
б) поглощающие включения;
в) легко ионизируемые примеси и дефекты, создающие мелкие уровни захвата носителей заряда.
Роль тех или иных дефектов в процессе оптического разрушения зависит не только от типа самого дефекта, но и от вида оптического воздействия. Следует различать воздействие импульсное и непрерывное, воздействие сфокусированных пучков с высокими плотностями мощности (до 1012 Вт/см2) и воздействие широкоапертурных высокоэнергетических пучков с мощностью излучения до 108 Вт, но с относительно низкими плотностями мощности (порядка 105 Вт/см2).
