MICROCRACKS IN STRONTIUM TITANATE INDUCED BY NANOSECOND LASER RADIATION
MICROCRACKS IN STRONTIUM TITANATE INDUCED BY NANOSECOND LASER RADIATION
Abstract
The work studies the destruction of a strontium titanate (SrTiO3) single crystal by a single nanosecond laser pulse. The laser damage zone was examined using X-ray structural analysis, which enabled the evaluation of structural changes at the macroscopic level, and optical microscopy, which allowed for visual inspection and morphometric analysis of the defects. The threshold power density of the laser radiation at which the destruction of strontium titanate begins lies in the range (1.2–2.2) × 108 W/cm2. The experiments demonstrate a linear dependence of the threshold power density on the diameter of the laser spot on the sample surface, indicating a mechanism of laser destruction of strontium titanate associated with the "intrinsic" model of destruction of transparent dielectrics, rather than with structural defects.
1. Введение
Титанат стронция является нелинейным диэлектрическом, используется в качестве подложек для выращивания тонких сверхпроводящих пленок и сегнетоэлектриков Использование прозрачных монокристаллов для изготовления оптических элементов делает актуальными исследования физических процессов, происходящих при оптическом разрушении прозрачных диэлектриков
, , . Кроме того, актуальны исследования лазерной абляции прозрачных диэлектриков и определение пороговых интенсивностей лазерного излучения с длиной волны, попадающей в область прозрачности таких материалов .Механизмы разрушения прозрачных диэлектриков могут зависеть от плотности мощности и длины волны лазерного излучения, длительности импульса и частоты следования импульсов, структуры облучаемого материала, качества обработки поверхности образца, наличия и концентрации примесей в облучаемом материале
, . Понимание механизмов лазерного разрушения важно для решения задач создания мощных лазеров, так как разрушение является ограничивающим фактором для достижения высоких интенсивностей лазерного излучения .Выделяют две модели разрушения прозрачных диэлектриков — собственный и несобственный. В первом случае разрушение инициируется в самой матрице и не связано с наличием в материале дефектов. Другой механизм лазерного разрушения — несобственный, обусловленный инородными включениями, примесями и дефектами в материале.
В прозрачных диэлектриках основными считают следующие механизмы разрушения: тепловые; фононные; связанные с влиянием несовершенств кристаллической решетки; связанные с неоднородностью лазерного поля, обусловленные самофокусировкой; влияние электронной лавины и многофотонного поглощения света
.Длительность импульса играет ключевую роль в термических моделях взаимодействия лазерного излучения с материалами. При длительности импульса порядка 1 мс происходит нагрев, кипение и испарение материала. При длительности импульса порядка 1 нс происходит абляция материала в основном за счет испарения
.2. Постановка задачи и описание эксперимента
Основной задачей в данной работе является экспериментальное определение порогового значения интенсивности лазерного излучения, при котором разрушается монокристалл титаната стронция.
В работе применялся твердотельный наносекундный лазер с Nd: YAG стержнем. Длина волны излучения составляла 1064 нм, длительность импульса 16 нс. Образцы облучались с разной интенсивностью лазерного излучения. На рис. 1 показана схема установки для облучения образцов. Изменение интенсивности лазерного излучения проводилось расфокусировкой лазерного излучения с помощью линзы, меняя таким образом площадь лазерного пятна.
Схема экспериментальной установки для облучения образцов:
1 – образец; 2 – диафрагма; 3 – лазерный луч; 4 – лазер; 5 – линза
3. Основные результаты
При плотности мощности лазерного излучения 2,9·1010 Вт/см2 наблюдается лазерное разрушение титаната стронция с одновременным образованием расплава материала в зоне облучения, как показано на микрофотографии поверхности образца (см. рис. 2).
Микрофотография области разрушения после облучения лазерным излучением с плотностью мощности 2,9·1010 Вт/см2
Микрофотография области разрушения после облучения лазерным излучением с плотностью мощности 1,0·109 Вт/см2
Микрофотография области разрушения после облучения лазерным излучением с плотностью мощности 9,2·108 Вт/см2
Микрофотография области разрушения после облучения лазерным излучением с плотностью мощности 2,2·108 Вт/см2
При плотности мощности лазерного излучения ниже значения 1,2·108 Вт/см2 в зоне облучения уже не наблюдаются видимые разрушения. Отсюда следует, что пороговая плотность мощности лазерного разрушения титаната стронция лежит в диапазоне (1,2÷2,2)·108 Вт/см2.
Дальнейшие исследования лазерного разрушения титаната стронция проводились с помощью рентгеноструктурного анализа образцов с целью выяснения критических напряжений в материале при плотности мощности ниже критической. Монокристаллическая пластина титаната стронция облучалась по всей площади лазерным излучением с плотностью мощности 5,3·107 Вт/см2. Для этого образец располагался на двухкоординатном столике с компьютерным управлением.
Совмещенные рентгенограммы облученного и необлученного образцов титаната стронция
Проведенный анализ изображений области облучения позволил установить, что лазерное воздействие на образцы титаната стронция излучением с длиной волны 1064 нм индуцирует образование зон микроразрушения, морфология которых характеризуется наличием структур как с мелкодисперсной, так и с крупноячеистой топографией (см. рис. 7).
Микроразрушения при длине волны лазерного излучения 1064 нм
Микроразрушения при длине волны лазерного излучения 532 нм
Таблица 1 - Результаты статистической обработки изображений микроразрушений кристалла титаната стронция
Средняя площадь ячеек | Длина волны лазерного излучения 1064 нм | Длина волны лазерного излучения 532 нм |
S1, мкм2 | 65 | 64 |
S2, мкм2 | 325 | 179 |
Эксперименты позволили выявить зависимость пороговой плотности мощности Iп лазерного излучения, при которой происходит разрушение титаната стронция, от диаметра лазерного пятна d, сфокусированного на поверхности образца. Зависимость представлена на рис. 9.
Зависимость пороговой плотности мощности Iп лазерного излучения от диаметра лазерного пятна d
При фокусировке лазерного излучения на поверхность твердых прозрачных диэлектриков может наблюдаться размерный эффект, связанный с зависимостью порога оптического пробоя от размера зоны облучения. Прочность оптических материалов определяется пороговой интенсивностью, при которой происходят разрушения на поверхность, а не в объеме. Морфология разрушений в области высоких порогов резко отлична от морфологии разрушения в области низких порогов .
Зависимость пороговой плотности энергии от диаметра облучаемой области поверхности стекла Ф-8
по ист. [10]
Отличие наших экспериментальных данных от работы , можно объяснить различной вероятностью попадания в область лазерного пятна поглощающих дефектов, инициирующих разрушение. Здесь эта вероятность тем больше, чем больше диаметр пятна, а за этим следует и уменьшение пороговой плотности мощности. Линейная зависимость пороговой плотности мощности лазерного излучения от диаметра лазерного пятна в нашей работе может свидетельствовать о том, что микровключения в нашем образце отсутствуют или имеются в незначительном количестве и, следовательно, лазерное разрушение наносекундным импульсом может определяться механизмом электронной лавины.
4. Заключение
Эксперименты по одноимпульсному разрушению монокристалла титаната стронция наносекундным лазерным излучением показали, что пороговая плотность мощности, при которой материал разрушается, находится в диапазоне (1,2÷2,2)·108 Вт/см2. Критические напряжения, при которых происходят существенные деформации кристалла титаната стронция, могут возникать в диапазоне плотности мощности (0,5÷1,2)·108 Вт/см2. Обнаруженная линейная зависимость пороговой плотности мощности лазерного излучения от диаметра лазерного пятна свидетельствует о том, что механизм лазерного разрушения титаната стронция не связан с дефектами структуры.