Электрофизические и теплофизические процессы и явления при лазерном воздействии на твердые диэлектрики

Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

электрофизические и теплофизические процессы и явления при лазерном воздействии на твердые диэлектрики

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

Савинцев Алексей Петрович

Нальчик 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова.

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Темроков А.И.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Воробьев В.С.

доктор физико-математических наук Красюк И.К.

доктор физико-математических наук, профессор Минцев В.Б.

Ведущая организация:

Московский инженерно-физический Институт

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Объединенного института высоких температур РАН.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 002.110.02

доктор физико-математических наук А.Л. Хомкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В диссертации представлены результаты исследований взаимодействия лазерного излучения с твердотельными диэлектриками и предложены новые лазерные технологии обработки кристаллических материалов и полимеров.

Проблема взаимодействия лазерного излучения с веществом имеет особую актуальность, поскольку именно успехи в этой области способствуют развитию лазерных технологий.

Для решения обозначенной проблемы диссертационная работа сориентирована на экспериментальное изучение электрофизических и теплофизических процессов и явлений при лазерном воздействии на поверхность и объем твердых диэлектриков.

Исследования воздействия лазерного излучения на различные материалы, которые начались практически сразу после создания лазеров, к настоящему времени проведены по многим направлениям и дали немало результатов, важных в научном и практическом плане.

Так, практически любое взаимодействие излучения лазеров средней и большой мощности с материалами приводит к изменению температуры и возникновению целого ряда тепловых явлений и процессов в облучаемой среде. тепловой диэлектрик лазерный облучение свет

Немалый интерес представляют явления, возникающие при взаимодействии лазерного излучения с биообъектами, представляющие основу для использования лазерных источников в медицине и биологии. Биоткани являются достаточно сложными системами. Однако теплофизические и электрофизические процессы и явления в них часто можно прояснить, изучая сначала более простые поглощающие свет среды, например, такие, как полимеры.

Изучение теплофизических и электрофизических процессов и явлений в прозрачных твердых телах - стеклах, органических диэлектриках и кристаллах, - также крайне важно. С одной стороны, прозрачные твердые тела являются неотъемлемыми элементами самих лазеров (активные элементы, подложки зеркал), нелинейных преобразователей лазерного излучения, систем транспортировки и формирования пучков лазерного излучения (призмы, линзы и т.д.). С другой стороны, установлено, что под действием лазерного излучения возникают разрушения прозрачных твердых тел, которые ограничивают предельные значения энергии и мощности лазерного излучения активных элементов.

Поскольку в будущем следует ожидать расширения разработки лазерных технологий, появления более мощных лазеров, продолжения работ по изменению выходных характеристик существующих активных сред, то изучение электрофизических и теплофизических процессов и явлений при лазерном воздействии на твердые диэлектрики является важным, актуальным и своевременным.

Исследования ориентированы на разработку и внедрение критических технологий Российской Федерации “Лазерные и электронно-ионно-плазменные технологии”, “Полимеры и композиты”, “Керамические и стекломатериалы”, “Прецизионные и нанометрические технологии обработки, сборки, контроля”, “Распознавание образов и анализ изображений” (утверждены Президентом Российской Федерации 30 марта 2002 года), “Технологии создания и обработки кристаллических материалов”, “Технологии создания и обработки полимеров и эластомеров” (утверждены Президентом Российской Федерации 21 мая 2006 года).

В последнее время совместное использование диэлектриков и лазерных источников света становится все шире, но глубокое осмысление богатого фактического материала не всегда идет нужными темпами. И здесь крайне актуально сопряжение теоретических расчетов, моделирования и экспериментальных данных.

Реализация вышеобозначенного подхода положена в основу представленной диссертационной работы.

Цель работы

1. Установить закономерности теплового разрушения органических диэлектриков и специфику лазерного пробоя прозрачных твердых тел при облучении их мощными импульсно-периодическими потоками света.

2. Определить особенности влияния лазерного облучения различной интенсивности и поляризации на электрические свойства органических и неорганических диэлектриков.

3. Установить поверхностные характеристики щелочно-галоидных кристаллов в сильных световых полях.

4. Определить характер лучевого разрушения поверхности ионных кристаллов фемтосекундными лазерными импульсами.

Научная новизна

1. Обнаружен и изучен лазерно-диэлектрический эффект в органических и неорганических материалах.

2. Установлены закономерности скачкообразного изменения электропроводности диэлектриков после лазерной засветки.

3. Определены пороговые значения поверхностной плотности мощности излучения для объемного и поверхностного разрушения полиметилметакрилата наносекундными лазерными импульсами с большой частотой следования. Экспериментально показано, что разрушение происходит за счет пиролиза и лучевого пробоя.

4. Выявлены пороговые значения поверхностной плотности мощности фемтосекундных лазерных импульсов, приводящих к оптическому повреждению поверхности щелочно-галоидных кристаллов.

5. Экспериментально определен характер поверхностной энергии и изучено сужение запрещенной зоны за счет поверхностных состояний у ионных кристаллов в поле лазерного излучения большой интенсивности.

6. Предложен механизм лучевого разрушения поверхности ионных кристаллов фемтосекундными лазерными импульсами вследствие скачкообразного сужения запрещенной зоны диэлектрика в интенсивном поле световой волны.

Методическая новизна

Основные экспериментальные результаты, представленные в работе, получены с использованием 4-х источников лазерного излучения: лазера на парах меди, гелий-неонового лазера, неодимового лазера и лазера на хром-форстерите; при этом последний впервые использовался для решения поставленных задач. В схемах внутрирезонаторной обработки материалов и лазерного микропроектора с усилителем яркости изображения впервые был задействован активный элемент на парах меди ГЛ-202.

Практическая значимость результатов

1. Выявлены условия и пороги лазерно-индуцированного теплового пробоя (пиролиза), а также лучевого разрушения полиметилметакрилата мощными лазерными импульсами с большой частотой повторения.

2. Определены условия реализации лазерно-диэлектрического эффекта.

На базе использования этого явления возможно создание нового типа индикаторов.

3. Найдены относительные пороги лучевого пробоя поверхности и объема щелочно-галоидных кристаллов и стекла излучением неодимового лазера.

4. Измерены пороги оптического повреждения различных граней поверхности ионных кристаллов фемтосекундными лазерными импульсами.

5. Научные результаты работы и разработанные методики используются в учебном процессе.

Публикации

Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 85 печатных работах. В перечне опубликованных работ - 45 статей в центральных научных журналах, рецензируемых научных сборниках и материалах конференций (в том числе 14 - в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора наук), препринт академического института, учебное пособие, 38 тезисов докладов на международных, всесоюзных и всероссийских конференциях.

Связь работы с научными программами и темами

Исследования выполнялись в 2003-2008 годах в рамках программы Президиума РАН “Теплофизика и механика интенсивных импульсных воздействий”, комплексной программы исследований Президиума РАН “Теплофизика и механика экстремальных энергетических воздействий”, программы ОЭММПУ и программы Президиума РАН “Физика и механика сильно сжатого вещества и проблемы внутреннего строения Земли и планет” и программы фундаментальных исследований Президиума РАН “Исследование вещества в экстремальных условиях” (подпрограмма “Теплофизика экстремального состояния вещества”).

Апробация работы

Результаты диссертационного исследования докладывались на 31 научной конференции, симпозиуме и семинаре, из которых 24 - международных и 7 - всесоюзных и всероссийских. Основные результаты работы обсуждались на: 5 Всесоюзной конференции “Оптика лазеров” (1987, Ленинград), 6 Всесоюзной конференции по физике диэлектриков (1988, Томск), Международной конференции “Новые методы в физике и механике деформируемого твердого тела” (1990, п. Терскол), 11 Международной конференции “Уравнения состояния вещества” (1996, п. Эльбрус), 12 Международной конференции-школе “Молекулярная спектроскопия высокого разрешения” (1996, Санкт-Петербург), 14 Международной конференции по химической термодинамике (14 IUPAC Int. Conf. On Chemical Thermodynamics) (1996, Osaka, Japan), Международной конференции “Прикладная Оптика - 96” (1996, Санкт-Петербург), 12 Международной конференции “Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество” (1997, п. Эльбрус),

6 Международном семинаре по электронным свойствам микросистем металл/неметалл (6-th Int. Workshop Electronic Properties of Metal/Non-Metal Microsystems) (1997, Prague, Czech Republic), 13 Международной конференции “Уравнения состояния вещества” (1998, п. Эльбрус), 14 Международной конференции “Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество” (1999, п. Эльбрус), 15 Международной конференции “Уравнения состояния вещества” (2000, п. Эльбрус), 16 Международной конференции “Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество” (2001, п. Эльбрус), 12 Международном симпозиуме “Тонкие пленки в электронике” (2001, Харьков, Украина), 17 Международной конференции “Уравнения состояния вещества” (2002, п. Эльбрус), Международном симпозиуме ОМА-2002 (2002, Сочи), Международном симпозиуме ОDPO-2002 (2002, Сочи), 18 Международной конференции “Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество” (2003, п. Эльбрус), 1 Всероссийском совещании-симпозиуме “Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах. Эксперимент, теория, компьютерное моделирование” (2003, Новый Афон), Международном симпозиуме ОМА-2003 (2003, Сочи), 19 Международной конференции “Уравнения состояния вещества” (2004, п. Эльбрус),

2 Всероссийском совещании-симпозиуме “Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах” (2004, Новый Афон), 20 Международной конференции “Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество” (2005, п. Эльбрус), 3 Всероссийском совещании-симпозиуме “Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах” (2005, Новый Афон), Международном симпозиуме ОDPO-2005 (2005, Сочи), 21 Международной конференции “Уравнения состояния вещества” (2006, п. Эльбрус), 4 Всероссийском симпозиуме “Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах” (2006, Новый Афон), 22 Международной конференции “Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество” (2007, п. Эльбрус),

5 Всероссийском симпозиуме “Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах” (2007, Новый Афон), II Международной конференции “Деформация и разрушение материалов и наноматериалов” (DFMN-2007) (2007, Москва), 23 Международной конференции “Уравнения состояния вещества” (2008, п. Эльбрус).

Основные защищаемые положения

1. Облучение органических и неорганических диэлектриков лазерным светом приводит к изменениям электрических характеристик материалов, что обусловлено лазерно-диэлектрическим эффектом и характером лазерной электропроводности материалов.

Лазерно-диэлектрический эффект, возникающий в диэлектриках, облученных мощными импульсами неполяризованного лазерного излучения, может быть назван лазерно-диэлектрическим эффектом первого рода, а лазерно-диэлектрический эффект в диэлектриках, облученных малоинтенсивным поляризованным излучением, - лазерно-диэлектрическим эффектом второго рода. В случае засветки образцов мощными импульсами поляризованного лазерного излучения проявляется комбинированный лазерно-диэлектрический эффект.

Для реализации лазерно-диэлектрического эффекта первого рода важна не только высокая поверхностная плотность мощности световых потоков, но и значительная площадь облучения. Засветка малой части диэлектрика лазерным излучением даже с поверхностной плотностью мощности, близкой к пробойной, не влияет кардинально на электрические характеристики объема в целом.

2. Облучение органических диэлектриков лазерным светом способствует на длительное время активизации дипольно-групповой и сегментальной подвижности, значительно меняет их поверхностную и объемную проводимость, приводит к появлению вблизи поверхности значительного постоянного электрического заряда, который изменяется синхронно с объемным зарядом.

3. В неорганических диэлектриках лазерно-диэлектрический эффект и лазерная электропроводность связаны с зарядовыми явлениями: появлением на поверхности и в объеме значительного заряда, который определяет наблюдаемые изменения электрических параметров среды. После облучения лазерным светом электрические параметры неорганического силикатного стекла и щелочно-галоидных кристаллов ведут себя схожим образом.

4. Под действием мощных лазерных импульсов с большой частотой повторения происходит разрушение поверхности полиметилметакрилата за счет пиролиза; возникают устойчивые тепловые линзы, появляются треки лучевого разрушения.

5. В условиях лазерного пробоя поверхности у хлорида калия может возникать состояние с отрицательной поверхностной энергией, а у хлорида натрия и иодида калия - нет.

6. Критическая напряженность поля оптического повреждения лазерными импульсами длительностью 80 фс поверхности ионных кристаллов составляет величину порядка 80 МВ/см. При этом порог оптического повреждения грани (110) хлорида натрия в 1.5-2 раза выше, чем порог повреждения грани (100).

7. Лучевое разрушение поверхности ионных кристаллов фемтосекундными лазерными импульсами может происходить вследствие фазового перехода диэлектрик-металл.

Личный вклад автора в работу

Автор непосредственно участвовал в постановке целей и задач работы, планировании, подготовке и проведении всех экспериментов; обсуждении, анализе и интерпретации полученных данных, проведении математического моделирования, формулировке основных научных выводов.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, основных научных выводов, списка цитированной литературы и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертационного исследования, раскрывается цель работы, формулируется научная и методическая новизна, отмечается практическая значимость полученных результатов, определяются основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В Главе 1 сделан литературный обзор работ по диссертационной теме.

Первый параграф главы посвящен некоторым аспектам взаимодействия лазерного излучения с твердотельными диэлектриками.

Обсуждаются тепловые явления в полимерах, вызванные лазерной засветкой, “скрытые” изменения в диэлектриках после лазерного облучения, процессы, протекающие в диэлектрических средах, вблизи и на пороге видимого разрушения лазерными импульсами.

Обращено внимание на различные виды лазерного пробоя органических и неорганических диэлектриков, на возникновение при этом поглощающего дефекта и тепловой неустойчивости в окружающей дефект матрице, приводится информация, касающаяся повреждения поверхности оптических материалов фемтосекундными лазерными импульсами.

Во втором параграфе главы рассмотрены некоторые свойства твердотельных диэлектриков.

Затрагиваются основные представления об электрических свойствах диэлектриков (диэлектрической проницаемости, диэлектрических потерях, проводимости, электретном состоянии) и некоторые аспекты физики поверхности твердотельных ионных кристаллов (поверхностная энергия и поверхностные состояния).

Поставлен вопрос о возможных фазовых переходах на поверхности и в объеме твердого диэлектрика в поле лазерного излучения.

Анализ изученных данных позволяет сделать выводы:

· Недостаточно исследованы теплофизические явления, тепловой и нетепловой лазерный пробой в оптически прозрачных диэлектриках под действием коротких мощных лазерных импульсов с большой частотой следования.

· Недостаточно изучено влияние лазерной засветки на всю совокупность электрофизических процессов и явлений в диэлектрических материалах.

· Итоги теоретических расчетов и численного моделирования поверхностных характеристик кристаллических диэлектриков в поле лазерного излучения пока практически не соотносятся с экспериментальными результатами.

· Отсутствуют сведения о характере и порогах лучевого разрушения поверхности ионных кристаллов короткими фемтосекундными лазерными импульсами.

На основании изложенного материала сформулированы задачи исследования.

В Главе 2 рассмотрены характеристики лазерных систем для изучения поверхности и объема диэлектриков.

Первый параграф главы посвящен лазерам и оптическим схемам диссертационной работы.

Для лазерного воздействия использовались 4 источника излучения: 1) лазер на парах меди (=510.6 нм, 578.2 нм), 2) гелий-неоновый лазер (=532.8 нм), 3) неодимовый лазер (стекло с Nd) (=1.06 мкм) и 4) лазер на хром-форстерите (=1.24 мкм). Второй и третий источники являлись стандартными лазерами промышленного производства, а первый и четвертый были представлены лазерными комплексами, собранными индивидуально для многоцелевых исследований.

Лазерный пучок направлялся на образец напрямую или через микрообъектив. Наиболее сложные оптические схемы системы были задействованы при работе с активным элементом на парах меди ГЛ-202, когда, например, использовалась схема внутрирезонаторной обработки материалов с одновременным визуальным контролем области воздействия по большому или малому экрану (на базе лазерного микропроектора с усилителем яркости изображения).

Во втором параграфе главы изложены результаты исследования энергетических и усилительных характеристик активного элемента на парах меди ГЛ-202, излучающего световые импульсы длительностью 20 нс с частотой порядка 10 кГц. В ходе проведенных работ определялись также параметры инверсии, поведение контраста картинки на экране для различных скоростей разогрева этого активного элемента и др.

Выяснилось, что в активной среде на парах меди ГЛ-202 коэффициент ненасыщенного усиления составляет 0.11 см^-1, поверхностная плотность насыщающей мощности - 45 мВт/см², а время существования инверсии не превышает 47 нс.

Повышение напряжения питания и скорости разогрева активного элемента поднимает пиковое значение усиления и контраста, сдвигая максимальную величиину этих параметров в область меньших температур активной среды; для малой скорости разогрева на довольно большом интервале температур усиление и контраст почти не меняются (рис. 1).

Рис. 1. Ход контраста картинки для быстрого (1) и медленного (2) разогрева активного элемента при различной мощности излучения на выходе ГЛ-202

Сделан вывод, что для получения максимальных энергосъемов необходим оптимальный тепловой режим разряда.

В третьем параграфе главы проведен анализ и расчет оптической части установки на базе ГЛ-202, найдены размеры пятен обработки и уровни засветки образцов в различных схемах обработки материалов излучением этого активного элемента.

Если сужать диафрагму между объективом и активным элементом, то, как показал опыт, размер пятна обработки и плотность облучения в нем не снижаются. (Для контроля рассматривался процесс плавления на поверхности объекта).

Было определено, что для ГЛ-202 поверхностная плотность средней мощности излучения может достигать 10⁶ Вт/см², поверхностная плотность мощности излучения в импульсе - 610⁹ Вт/см², а поверхностная плотность энергии излучения в импульсе - 120 Дж/см².

Перетяжка лазерного излучения в схеме внутрирезонаторной обработки материалов располагается от объектива дальше, чем исследуемая поверхность, и имеет размер FD/c_р, где D - диаметр разрядной трубки, F - фокусное расстояние объектива, c - скорость света, _р - рабочее время инверсии; для ГЛ-202 можно взять _р = (33 - 40) нс.

В Главе 3 обсуждаются электрофизические процессы и явления при лазерном воздействии на диэлектрики, рассмотрен лазерно-диэлектрический эффект и лазерная электропроводность (электропроводность, обусловленная лазерным облучением вещества).

В первом параграфе главы излагаются данные опытов, которые привели к обнаружению лазерно-диэлектрического эффекта.

В ходе выполнения экспериментов были проведены исследования влияния лазерного облучения на электрические параметры твердых диэлектриков: диэлектрическую проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь (tg), фактор диэлектрических потерь на частоте 1 МГц и удельную объемную проводимость по постоянному току (^v) группы полимерных материалов.

Был изучен ряд полимерных диэлектриков на одной основе - поливинилхлорида (ПВХ), но модифицированной различными ингридиентами; политетрафторэтилен (ПТФЭ), полиметилметакрилат (ПММА) и полиэтилен (ПЭ).

Первоначально органические диэлектрики освещались неполяризованным излучением активной среды на парах меди в течение 3-5 с. Средняя мощность лазерного излучения в пучке достигала 0.85-3.3 Вт. Для предотвращения избыточного перегрева органических диэлектриков между активной средой и материалами устанавливался дисковый обтюратор, который уменьшал число световых импульсов, падающих на образец в единицу времени. Как оказалось, облучение органических диэлектриков мощными наносекундными лазерными импульсами приводит, как правило, к изменению их электрических параметров, после чего наблюдается многочасовая релаксация к начальным данным или параметры больше не меняются. При этом характер электрофизических процессов зависит от импульсной интенсивности неполяризованного лазерного излучения I^имп и состава полимера (рис. 2).

Как показали измерения, времена релаксации электрических характеристик (индивидуальные для каждого диэлектрика) составляют десятки и сотни часов.

Таким образом, особенности электрофизических явлений во время и после лазерного облучения определяются свойствами конкретного материала и могут служить его индивидуальным признаком.



а) б)

Рис. 2. Динамика электрических характеристик поливинилхлорида после облучения импульсами активной среды на парах меди: а) пластификатор - хлорпарафин. Изменение объемной проводимости (1- I^имп = 6.6 кВт/см², 2 - I^имп = 2 кВт/см²); диэлектрической проницаемости (3 - I^имп = 6.6 кВт/см², 4 - I^имп = 2 кВт/см²); тангенса угла диэлектрических потерь (5 - I^имп = 6.6 кВт/см², 6 - I^имп = 2 кВт/см²); б) пластификатор - диоктилфталат. Изменение диэлектрической проницаемости (1 - I^имп = 6.6 кВт/см², 3 - I^имп = 2 кВт/см²); тангенса угла диэлектрических потерь (2 - I^имп = 6.6 кВт/см², 4 - I^имп = 2 кВт/см²); объемной проводимости (5 - I^имп = 2 кВт/см²)

Далее приведены первые результаты исследований электрофизических процессов и явлений в органических диэлектриках, которые подвергались облучению непрерывным поляризованным светом гелий-неонового лазера. В этом и последующем опытах пятно облучения засвечивало образцы полностью по всей площади; мощность лазерного излучения в пучке достигала 3.3 мВт.

Выяснилось, что и в этом случае электрические параметры меняются, но совсем по-другому (рис. 3).



а) б)

Рис. 3. Изменение емкости (1) и тангенса угла диэлектрических потерь (2) образцов ПММА (а) и полиэтилена (б) на частоте 1 МГц после облучения в течение 10 минут светом гелий-неонового лазера

Изменение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь под действием ионизирующего излучения получило название радиационно-диэлектрического эффекта. Анализ наших результатов показал, что в проведенных опытах по изучению последствий лазерного облучения было обнаружено схожее явление, которое может быть названо лазерно-диэлектрическим эффектом. При этом облучение диэлектриков импульсами активной среды на парах меди служит причиной возникновения лазерно-диэлектрического эффекта первого рода, а засветка поляризованным излучением гелий-неонового лазера обуславливает лазерно-диэлектрический эффект второго рода.

Во втором параграфе главы обсуждаются механизмы лазерно-диэлектрического эффекта и лазерной электропроводности. Рассмотрены возможные причины необратимых и обратимых изменений электрических характеристик вследствие электрофизических процессов и явлений в диэлектрической среде. Обращено внимание на упругопластические волны, внутренние и термоупругие напряжения, наведенные обратимые упругие деформации надмолекулярных структур, подпитку сегментальной подвижности и диэлектрических потерь, возникновение электретного состояния, химические реакции (рис. 2б) и др.

Показано, что пороги возникновения упругопластических волн, с учетом лучевого нагрева полимерной среды с невысокой температурой стеклования и плавления и многоимпульсного воздействия на материалы, не слишком отличаются от значений соответствующих параметров в проведенных экспериментах.

Отмечено, что при воздействии импульсно-периодического лазерного излучения в объеме органических диэлектриков могут развиться термоупругие напряжения, за счет которых резко (на порядок) возрастают внутренние давления.

Известен случай псевдорадиационно-диэлектрического эффекта, связанного с изменением электрических параметров за счет интенсивного разогрева среды под действием ионизирующего излучения. Такой псевдорадиационно-диэлектрический эффект отличается от истинного радиационно-диэлектрического эффекта тем, что изменения электрических параметров довольно быстро приходят в норму (после остывания органического диэлектрика). В проведенных опытах отсутствует достаточно интенсивный длительный разогрев, и, кроме того, наблюдается не быстрая, а многочасовая релаксация электрических параметров. Вследствие этого можно уверенно считать, что в представленной работе регистрировался не псевдолазерно-диэлектрический эффект, обусловленный простым разогревом диэлектрика, а явление более сложной природы.

За счет многократных лучевых ударов, упругопластических волн и термоупругих напряжений, фотопроцессов и других причин в облученном диэлектрике возникают дополнительные носители заряда, которые нейтрализуются или выходят из объема на электроды в присутствии ловушек, дефектов среды и т.д. в течение десятков и сотен часов.

В третьем параграфе главы на основании механизмов электрофизических процессов и явлений, рассмотренных в предыдущем параграфе, получено удовлетворительное объяснение изменений электрических характеристик всех ранее изученных органических диэлектриков в случае лазерно-диэлектрического эффекта первого рода.

Обращено внимание на снижение скачков электрических параметров, времени релаксации, индивидуальной реакции на лазерную засветку и др. в случае более низкой импульсной интенсивности неполяризованного лазерного излучения.

Отмечается, что при рассматриваемом облучении нагрев поверхности активизирует процессы окисления и другие химические реакции.

В четвертом параграфе главы приводятся результаты комплексного исследования лазерно-диэлектрического эффекта второго рода.

а) б)

Рис. 4. Температурные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь на частоте 1 кГц: а) полиэтилен (1 - необлученный образец; 2 - сразу после облучения; 3 - спустя 216 часов после облучения); б) политетрафторэтилен после лазерной засветки (1 - через 24 часа; 2 - через 72 часа; 3 - через 120 часов)

Подробно изучены температурные характеристики емкости (С), tg и проводимости по переменному току (g) на частоте 1 и 10 кГц, а также ^v и удельная поверхностная проводимость по постоянному току (^s) до и в течение 216-300 часов после засветки поляризованным излучением гелий-неонового лазера.

Использовалась измерительная термоячейка, в которой температура задавалась с помощью программируемого терморегулятора с точностью 0.5С.

Выяснилось, что лазерное облучение не влияет на температурную зависимость емкости ПЭ, ПММА и ПТФЭ, однако существенно меняет для этих диэлектриков ход зависимости tg от температуры (рис. 4), где обнаруживаются два максимума (- и -процессы).

а) б)

Рис. 5. Температурная зависимость электрических параметров полимеров: а) проводимость политетрафторэтилена через 24 часа после облучения светом гелий-неонового лазера на частоте 10 кГц (1) и 1 кГц (2), через 120 часов на частоте 1 кГц (3); б) тангенс угла диэлектрических потерь полиэтилена (1) и полиметилметакрилата (2) на частоте 50 кГц спустя 100 часов после засветки излучением активной среды на парах меди

Эти данные свидетельствуют о том, что лазерное облучение активизирует дипольно-сегментальную и дипольно-групповую подвижность макроцепей и их боковых фрагментов. Затухает наведенная подвижность спустя несколько суток.

Как показывает рис. 4, лазерное облучение приводит не только к появлению - и -максимумов, но и к их сдвигам с течением времени на 10-20С в область высоких температур, что указывает для - максимума на увеличение жесткости изученных материалов.

Анализ полученных результатов указывает на совпадение температурной зависимости проводимости по переменному току (рис. 5а) и tg (рис. 4б) ПТФЭ на частоте 1 кГц.

Кроме того, также совпадают на этой частоте временные зависимости проводимости по переменному току и амплитуды - максимума tg. То есть данные проводимости по переменному току могут дать информацию о дипольно-сегментальном процессе, отражая ход сегментальной подвижности макроцепей полимера, возникшей под действием лазерного облучения.

а) б)

Рис. 6. Температурная зависимость емкости (1), тангенса угла диэлектрических потерь (2) и проводимости (3) полистирола на частоте 1 кГц после облучения светом гелий-неонового лазера: а) спустя 1 час, б) спустя 24 часа

Во втором параграфе данной главы этот механизм рассматривался среди возможных, и теперь он нашел прямое подтверждение.

В отличие от ранее указанных полимеров, для полистирола лазерная засветка выявляет максимумы и на зависимости емкости образцов от температуры (рис. 6а).

а) б)

Рис. 7. Изменение поверхностной проводимости (1) и объемной проводимости (2) по постоянному току политетрафторэтилена (а) и силикатного стекла (б) после облучения 10 мин светом гелий-неонового лазера

Характерный вид температурной зависимости электрических параметров полистирола в различные моменты времени приведен на рис. 6а. Исключением являются данные, полученные через 24 часа после засветки. Измерения, показали для этого момента времени аномально высокие значения электрических параметров и их нетипичные температурные зависимости (рис. 6б). При этом значение 1-го максимума tg в течение ста часов близко 1. Это свидетельствует о возникновении после облучения условий для ощутимого поглощения подводимого сигнала и аномально высоком тепловыделении.

Изучение ^v и ^s политетрафторэтилена, облученного в течение 10 минут большим пятном, показало, что после засветки ^v отличается от начальной не существенно, в противовес ^s, которая возросла в 3.310⁴ раз. Далее в течение длительного времени наблюдается синхронное изменение ^v и ^s (рис. 7а), вблизи поверхности сохраняется значительный заряд, и при этом имеют место активные зарядовые явления.

Эти же явления нашли свое отражение и в опытах с поли-4-метилпентеном-1, который после лазерной засветки подвергался повышенному термовоздействию.

Важной особенностью этой части работы являлись многочисленные измерения, проводимые ежесуточно в течение 4-8 часов, позволявшие уверенно отслеживать все вариации электрических параметров при комнатной температуре. На кривой релаксации tg этого диэлектрика, так же как на рис. 3, видны два характерных обратимых спада, первый из которых продолжался 8 часов, а второй - 3 часа. Однако второй спад при наличии термонагрузки регистрируется спустя 24 часа после облучения, а не через 72 часа, как наблюдалось в опытах без термовоздействия на образцы.

Комплексный анализ результатов этого параграфа и, в частности, данных, приведенных на рис. 3-7, приводит к выводу, что наблюдаемые особенности электрических характеристик изученных полимеров возникают за счет ряда электрофизических и теплофизических процессов: быстропротекающих зарядовых явлений, возникновения и разрушения электретного состояния за счет термодеполяризации.

Именно повышенные термонагрузки ускоряют темодеполяризацию полиметилпентена, и поэтому 2-й спад tg в проведенных опытах проявляется уже через сутки после лазерной засветки.

В пятом параграфе главы внимание обращено на комбинированный лазерно-диэлектрический эффект, который проявляется при облучении органических диэлектриков поляризованным излучением активной среды на парах меди. В случае такого облучения наблюдаются признаки лазерно-диэлектрического эффекта первого и второго рода: с одной стороны - обратимые упругие деформации надмолекулярных структур, а с другой - возникновение электретного состояния. При этом чем больше время облучения (время закрепления наведенного электретного состояния), тем яснее в итоговой картине наблюдаемых электрофизических процессов и явлений проявляются признаки эффекта второго рода.

а) б)

Рис. 8. Изменение объемной проводимости по постоянному току после облучения диэлектриков 3-5 с светом активной среды на парах меди: а) полиэтилен, I^имп = 0.6 кВт/см², поляризованное излучение; б) силикатное стекло, I^имп = 5 кВт/см², неполяризованное излучение (экспериментальные точки и результаты математического моделирования хода проводимости)

В случае комбинированного лазерно-диэлектрического эффекта ^v кардинально меняет свое поведение по сравнению с лазерно-диэлектрическим эффектом первого рода (рис. 8а).

Данные, показанные на рис. 8, сопрягались с результатами математического моделирования хода ^v, при суточном шаге измерения этого параметра. Динамика полученных в эксперименте значений хорошо описывается зависимостью вида: (^v_N - ^v_N-1) = (M_o - N)K (для ^v_N ^v_N-1), где K - индивидуальный постоянный коэффициент, N - номер текущих суток с начала роста ^v, а M_o - целое число; причем N = 1, 2…(2M_o -1). Для модельной (плоской) вершины контура M_o = N и ^v_N = ^v_N-1. Для реального максимума можно принять, что ^v_max = ^v_Mo + K / 4.

Широкий контур зависимости ^v от времени после засветки поляризованным излучением активной среды на парах меди (с максимумом спустя 184 часа после засветки) отражает длительное рассасывание по объему наведенного заряда. После выхода свободного заряда на электроды (спустя 385 часов после облучения), когда все процессы обратимых упругих деформаций надмолекулярных структур, разрушения остаточной поляризации и рассасывания объемного заряда завершены для органического диэлектрика, измерения показывают, что значение tg будет определяться величиной остаточного ионного тока, протекающего через образец.

В заключении параграфа приведены результаты опытов, в которых изучалось влияние засветки излучением активной среды на парах меди (в течение 60 с) на температурные зависимости емкости и tg, регистрируемые на частоте 50 кГц в интервале температур 20-110С через каждые 10С.

Показано, что воздействие на полиэтилен и ПММА излучения активной среды на парах меди, так же как и света гелий-неонового лазера, приводит к размораживанию дипольно-групповой и дипольно-сегментальной подвижности и соответствующих процессов диэлектрической релаксации (рис. 5б).

В шестом параграфе главы приведены результаты изучения лазерно-диэлектрического эффекта и лазерной электропроводности в неорганических диэлектриках: силикатном стекле и щелочно-галоидных кристаллах.

Выяснилось, что в неорганических средах отсутствуют ярко выраженные признаки лазерно-диэлектрического эффекта первого рода, второго рода и комбинированного эффекта. Анализ полученных результатов показал, что электрофизические процессы в неорганических диэлектриках определяются, главным образом, зарядовыми явлениями (рис. 7б, 8б). Эти явления имеют источником слабосвязанные электроны, которые образуют распределенный пространственный заряд на неоднородностях, включениях и других дефектах. Излучение, насквозь просвечивающее оптически прозрачную среду, взаимодействуя с веществом, ощутимо меняет концентрацию свободных зарядов, которые движутся к электродам в присутствии ловушек и примесей, в течение длительного времени.

Согласно рис. 7 у неорганического силикатного стекла, в отличие от политетрафторэтилена, отсутствует синхронное изменение ^v и ^s; если у ^s, начиная с 72 часов после засветки, изменение величины носит колебательный характер, то у ^v наблюдается монотонный рост.

Как видно из рис. 8б, процесс рассасывания по объему свободного заряда, возникшего после лазерного облучения, достигает у силикатного стекла максимума спустя 156 часов после засветки.

а) б)

Рис. 9. Изменение электрических характеристик силикатного стекла после облучения в течение 10 минут светом гелий-неонового лазера: а) емкость на частоте 1 кГц (1), проводимость на частоте 10 кГц (2); б) динамика суточных скачков в “незакороченном” состоянии: емкость (1), тангенс угла диэлектрических потерь (2) и проводимость (3) на частоте 1 кГц; проводимость на частоте 10 кГц (4)

Измерения емкости, tg и проводимости по переменному току после облучения силикатного стекла светом гелий-неонового лазера проводились два раз в сутки с часовым промежутком. В течение часа образец не покидал измерительной ячейки, а затем вынимался из ячейки. После суточного перерыва наблюдался ощутимый рост величины электрических параметров. Однако спустя час после наблюдаемого скачка электрические параметры падали до значений, близких к начальным (рис. 9а).

Было дано объяснение наблюдаемым электрофизическим явлениям. Когда облученный образец на сутки вынимается из измерительной ячейки, он переходит в так называемое “незакороченное” состояние. Среда в этом случае все время находится в электрическом поле, в результате чего происходит рассасывание заряда. Именно рост заряда приводит к ощутимым скачкам значений замеряемой емкости после суточного перерыва в измерениях. Поскольку вышедшие к поверхности за 23 часа дополнительные заряды могут достаточно быстро нейтрализованы по цепям измерительного прибора, изучение через час “закороченной” среды дает величины электрических параметров, близкие к регистрируемым до суточного перерыва.

Как видно из рис. 9, величина скачков электрических параметров спустя 72 часа после облучения уже начинает снижаться, и емкость на частоте 1 кГц начинает ощутимо расти (рис. 9а), что согласуется с поведением ^v (рис. 7б). Ход проводимости на частоте 10 кГц (без зарядовых явлений) (рис. 9а) отслеживает поведение ^s, а зарядовые всплески емкости и tg на частоте 1 кГц, а также проводимости на частотах 1 кГц и 10 кГц (рис. 9б) коррелируют с ^v в интервале (24; 72) часа после облучения.

После лазерной засветки в силикатном стекле и щелочно-галоидных кристаллах регистрируются близкие по виду электрофизические процессы и явления. В основе этого лежат схожие физические процессы влияния лазерного облучения на концентрацию слабосвязанных электронов в объеме диэлектрической среды.

Глава 4 посвящена рассмотрению теплофизических явлений и лучевого разрушения при воздействии излучения лазера на парах меди на полиметилметакрилат.

В первом параграфе главы внимание обращено на теплофизические процессы разрушения полиметилметакрилата импульсно-периодическими потоками излучения лазера на парах меди. Изучались тепловые явления на поверхности и в объеме диэлектрика, когда поверхностная плотность средней мощности излучения О достигает достаточно большой величины, и вещество находится вблизи и на пороге лазерно-индуцированного теплового пробоя.

Выяснилось, что видимое разрушение поверхности ПММА за счет пиролиза, при большой частоте следования импульсов лазера на парах меди, начиналось, когда О доходила до значения 10⁴ Вт/см². В этом случае на поверхности диэлектрика возникало прозрачное линзоподобное образование, за которым в объеме регистрировалась локальная термодеструкция вещества. Дальнейшее повышение О приводило к еще большему разогреву этой части образца, и на поверхности наблюдалась область расплавленного материала; линзоподобное образование, выдуваемое здесь, непрозрачно и поэтому начинает интенсивно поглощать падающее излучение; локальной области видимого разрушения за ним уже нет.

Снижение размеров перетяжки лазерного пучка (пятна обработки) затрудняет создание линзоподобного образования на поверхности.

Сканирование сфокусированных потоков света по объему ПММА дает канал деструкции почти неизменного сечения, размерами порядка размера перетяжки лазерного излучения. Протяженность канала определяется величиной О, толщиной и геометрией образца, а также теплофизическими параметрами материала.

За счет большой частоты следования импульсов лазера на парах меди при О 3.310⁴ Вт/см² и I^имп 610⁷ Вт/см² в объеме ПММА могла возникать устойчивая тепловая линза, картина которой наблюдалась и после снятия облучения. Размеры линз внутри материала ощутимо больше диаметра аналогичных образований на поверхности.

Причиной появления стационарных линзоподобных образований являются тепловые деформации органических диэлектриков при облучении мощными импульсами света, которые, среди стеклообразных полимеров, максимальны именно в ПММА. Поскольку время рассасывания тепловой линзы в ПМMA порядка 0.05 с, а в наших опытах световой пучок прерывался обтюратором только на 3.3 мкс, то процесс формирования линзоподобного образования за счет термооптических воздействий становился у нас стационарным.

Проведено математическое моделирование тепловых явлений при облучении материалов концентрированными потоками света.

Известно, что в случае облучения вещества мощными импульсно-периодическими световыми потоками с большой частотой следования импульсов, в образце устанавливается стационарный тепловой режим с малыми колебаниями температур.

Сделана оценка распределения температуры для модели движущегося в образце пятна сфокусированного излучения. Исследовался стационарный (квазистационарный) тепловой режим, когда тепло покидает тело за счет внутренней теплопроводности и теплоотдачи в окружающую среду по законам Фурье и Ньютона. Изучен случай вывода тепла сначала с концов, а затем со всех поверхностей модельного стержня.

Использованная математическая модель тепловых потоков и температурных распределений выявляет закономерности, неплохо согласующиеся с наблюдаемыми тепловыми явлениями.

Во втором параграфе главы исследованы условия, особенности и пороги видимого разрушения ПММА за счет лучевого пробоя. Диэлектрик облучался регулярными световыми импульсами лазера на парах меди и находился под действием значительной поверхностной плотности средней мощности излучения.

Использовалась внутрирезонаторная обработка вещества с одновременным визуальном контролем изучаемой области.

Установлено, что пороговые условия пробоя приповерхностного объема ПММА в случае тепловой деформации поверхности зависят и от значений поверхностного натяжения на размягченной поверхности диэлектрика.

Как видно из проведенных опытов, характерной особенностью рассматриваемого пробоя является важная роль тепловых линз и линзоподобных образований на поверхности в дополнительной концентрации излучения лазера на парах меди. Именно благодаря этому фактору канал с признаками пробоя наблюдается вблизи устойчивой тепловой линзы, и мощность излучения в импульсе, приводящая к пробою с ослабителем 1/3, меньше соответствующей мощности излучения с ослабителем 1/10.

Когда тепловая деформация поверхности ПММА отсутствует, а световая энергия сконцентрирована в области 33 3 мкм, в приповерхностном объеме наблюдается многоимпульсный пробой при поверхностной плотности световой энергии в пучке 2.7 0.5 Дж/см². Трек окружен веществом, видоизмененным за счет расклинивающих нагрузок, возникающих под действием ударных волн и других причин. Если канал пробоя выходит на поверхность, то регистрируется и импульс акустической энергии.

При I^имп = (1.5-2)10⁸ Вт/см² в объеме ПММА имеют место явления, не реализованные или слабо проявляющие себя при I^имп = 10³-10⁴ Вт/см².

Так, если согласно экспериментам, описанным в главе III, действие на диэлектрик I^имп 510³ Вт/см² существенно меняло ^v, то облучение с I^имп 10⁷ Вт/см² должно вести к еще более значительному росту электропроводности диэлектриков.

Появление в ПММА ощутимых концентраций электронов, в результате действия на среду многократных лучевых ударов, позволяет зародиться электронной лавине и за счет ударной ионизации атомов матрицы создать область пробоя, к которой в развитие лучевого разрушения будут приложены локальные термоупругие расклинивающие напряжения.

В заключительной части параграфа приведены результаты исследования лазерно-диэлектрического эффекта в случае засветки малой области органических и неорганических диэлектриков поверхностной плотностью мощности, близкой к критической (пробойной).

Как было найдено, электрические параметры образцов после такого облучения остались неизменными, что свидетельствует о следующем: для возникновения лазерно-диэлектрического эффекта необходима не только значительная I^имп, но и достаточно большая область воздействия. Засветка небольшой части диэлектрика даже излучением с поверхностной плотностью мощности, близкой к критической, не влияет кардинально на весь объем, т.е. упругопластические волны, внутренние напряжения и другие аналогичные возмущения среды в этом случае действуют локально.

В Главе 5 обсуждены электрофизические явления, возникающие на поверхности ионных кристаллов в сильных лазерных полях.

В первом параграфе главы приведены экспериментально измеренные пороги пробоя поверхности (100) хлорида натрия и калия, бромида и иодида калия и объема этих кристаллов излучением неодимового лазера, проведено сравнение порогов между собой и сопоставление их с данными по неорганическому силикатному стеклу.

Если сравнить лучевое разрушение ПММА с картинами пробоя щелочно-галоидных кристаллов импульсами неодимового лазера, то отличия касаются характера хода расклинивающих трещин. Расклинивающие напряжения раскалывают объем кристаллического диэлектрика крестообразным образом по плоскости спайности (100), которая обладает наименьшим значением поверхностной энергии грани для решеток типа каменной соли.

Лучевая стойкость хлоридов натрия и калия, при воздействии наносекундных лазерных импульсов, неплохо согласуется с порогами пробоя этих же кристаллов при воздействии коротких электрических импульсов в постоянном электрическом поле, однако для иодида калия такого согласия нет.

В этой части работы для неорганического стекла и грани (100) щелочно-галоидных кристаллов были экспериментально определены величины I_кр^s / I_кр^v (E_кр^s / E_кр^v) (I_кр^s - критическая интенсивность излучения на поверхности, E_кр^s - критическая напряженность электрического поля на поверхности, а I_кр^v и E_кр^v - те же соответствующие параметры в объеме).

...