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
[1][2][3][4]
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
[5][6][7]
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
[8]
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
[9]
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
На микрофотографиях, представленных на рис. 3 и 4, изображена поверхность образца после облучения лазерным импульсом с плотностью мощности 1,0·109 Вт/см2 и 9,2·108 Вт/см2 соответственно. В указанных режимах признаков лазерной абляции или плавления материала не обнаружено; вместо этого формируется сеть микротрещин. Центральную часть облученной зоны характеризуют яркие интерференционные пятна, вероятно, свидетельствующие о продольном расслоении материала. Согласно проведенному анализу, размер дефектов уменьшается от центра к периферии, что, по-видимому, обусловлено неравномерным профилем интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка.
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
Микрофотография на рис. 5 соответствует плотности мощности облучения 2,2•10⁸ Вт/см². При таком уровне воздействия область повреждений на поверхности фрагментируется. Данный эффект может объясняться многомодовой структурой излучения используемого лазера.
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
Для определения критических напряжений снимались рентгенограммы необлученной и облученной подложек титаната стронция, а также брались параметры титаната стронция из карточки с рентгенограммой идеального образца. Сравнение ренгенограмм облученного и необлученного образца показывает, что сдвига пиков на рентгенограмме не наблюдается (рис. 6), что говорит о том, что облучение образца данной интенсивностью не приводит к росту напряжений в материале. Следовательно, можно сделать вывод о том, что критические напряжения, при которых происходят существенные деформации кристалла титаната стронция, могут лежать в диапазоне плотности мощности (0,5 ÷1,2)·108 Вт/см2.
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
Аналогичная картина структурных изменений наблюдается при облучении мишени излучением с длиной волны 532 нм, что демонстрирует сопоставимый механизм повреждения материала (см. рис. 8).
Микроразрушения при длине волны лазерного излучения 532 нм
Рассчитанные значения усредненных площадей мелких ячеек S1 практически не различаются для длин волн лазерного излучения 1064 и 532 нм, а средние площади S2 крупных ячеек существенно отличаются. Природа различия размеров крупных ячеек для разных длин волн лазерного излучения пока не понятна и требует дальнейших исследований. Результаты статистической обработки изображений микроразрушений приведены ниже (см. табл. 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, мкм2Missing Mark : sup | 65 | 64 |
| S2, мкм2Missing Mark : sup | 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
Зависимость пороговой плотности мощности лазерного излучения от диаметра лазерного пятна d наблюдалась и авторами работы [10]. На рис. 10 приведена зависимость пороговой плотности энергии от диаметра облучаемой области поверхности стекла Ф-8 из указанной работы. Столь сильную зависимость нельзя объяснить с точки зрения механизма лавинной ионизации. В то же время она хорошо описывается с помощью модели твёрдого прозрачного диэлектрика, содержащего поглощающие включения.
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 [10].
Зависимость пороговой плотности энергии от диаметра облучаемой области поверхности стекла Ф-8
При малых значениях пороговых интенсивностей пространственные флуктуации лазерной прочности облучаемого материала обусловлены наличием дефектов, которые могут эффективно поглощать лазерное излучение, а порог разрушения должен снижаться с повышением концентрации этих дефектов. При высоких значениях пороговых интенсивностей лазерная прочность материала связана с возникновением электронной лавины.
Отличие наших экспериментальных данных от работы [10], 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)·108Missing Mark : sup Вт/см2Missing Mark : sup. Критические напряжения, при которых происходят существенные деформации кристалла титаната стронция, могут возникать в диапазоне плотности мощности (0,5÷1,2)·108Missing Mark : sup Вт/см2Missing Mark : sup. 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.