Введение к работе
Актуальность темы. Одним из препятствий на пути совершенствования лазерных технологии, увеличения долговечности и повышения мощности лазерных систем является разрушение оптических элементов под действием Korqieimioro излучения. В связи с этим исследование воздействия лазерного излучения на прозрачные материалы является одним из важных направлении в науке и технологии.
Оптическая прочность твердых прозрачных диэлектриков существенно зависит, при прочих равных условиях, от таких дефектов, как трещины, полости, поры. Из них наибольший интерес представляют трещины. В вершине трещины возможна более высокая концентрация механических напряжении, чем вблизи поры или полости. Рост трещин является основной причиной механического разрушения материалов.
Однако до настоящего времени остается неизученной проблема лазерно-индуцированного разрушения прозрачных кристаллов с макроскопическими трещинами. Эта задача тесно связана с вопросами роста трещин при лазерном облучении, влияния трещин на оптическую прочность, особенностями механического разрушения при оптическом пробое.
Несмотря на значительное количество работ, посвященных исследованию влияния микротрещнн на лазерную прочность оптических элементов, не исследованы физические процессы, происходящие в прозрачных кристаллах с макротрещинами под действием лазерного излучения. Большинство экспериментальных работ, посвященных этой теме, было выполнено на образцах с большим количеством микротрещин, которые образовывались в результате механической обработки материала шлифованием. При этом помимо трещиноватого слоя формировался упругодеформированный слой, а в микротрещины попадала суспензия.
Такие работы имеют большое практическое значение, способствуют улучшению технологии производства. Однако, на основании только таких исследований трудно установить суть физических процессов, проходящих на трещине, отделить их от влияния рельефного и упругонапряженного слоя, загрязняющих веществ, повышенной плотности дислокаций. Следовательно, затруднена корректная оценка вклада трещин в снижение оптической и механической прочности прозрачных материалов.
В связи с этим исследование физических явлений, приводящих к оптическому пробою на дефектах кристаллической струтуры и особенностей последующего механического разрушения, имеет особую актуальность.
Цель и задачи исследования. Работа посвящена экспериментальному исследовангао влияния макроскопической трещины на оптическую и механическую прочность прозрачных кристаллов с различными оптн-
ческими и механическими свойствами, причин и характеристик na3qi-но-нндуцированного роста трещины, особенностей повреждения материала при оптическом пробое в широком интервале температур.
Для достижения поставленной неш были сформулированы н решены следующие задачи:
-
Исследовать закономерности лазерно-нндуцированного разрушения оптически прозрачного кристалла с исходной макроскопической зрещиной, а также влияние исходной трещины на развитие лазерно-нндупированных дефектов.
-
Установить причины и характеристики лазерно-индуцирован-ного роста исходных макроскопических трещин в кристаллах, характеризующихся различными оптическими и механическими свойствами.
-
Установить закономерности взаимодействия исходной и лазер-но-индуцнрованной трещин в оптически прозрачных кристаллах на основе механического моделирования процесса.
-
Определить зависимость между величиной порога оптического пробоя прозрачного материала и временем существования трещин.
5. Исследовать закономерности изменения структуры повреж
денного слоя кальцита, возникающего в условиях оптического про
боя, в широком интервале температур. Определить вклад различных
механизмов деформирования в формирование поврежденного, слоя
кальцита.
Научная новизна.
1. Установлено, что активация роста исходнон макроскопической
трещины в монокристаллах СаСОз, LiF, NaCl в случае оптического
пробоя на поглощающих включениях обусловлена термическими и
механическими напряжениями, возникающими в точках нагрева.
Вероятность активации роста трещины зависит от величины термических напряжении, возникающих на поглощающих включениях, и от места их расположения относительно трещины.
-
Показало, что исходная макроскопическая трещина оказывает влияние на характер распространения лазерно-индуцироваиной трещины и обеспечивает возможность нх объединения. Вероятность такого объединения и вероятность последующего разрушения кристалла увеличивается по мере уменьшения расстояния между лазерно-инду-цированной трещиной и исходной.
-
Установлено, что оптический пробой на поверхности трещины в объеме образца более опасен для механической целостности кристалла, чем оптический пробои на поверхности.
-
Определен характер зависимости оптической прочности прозрачных материалов от времени существования трещины. Выделено три периода существования трещин, в каждый из которых предельная оптическая прочность лимитируется различными факторами. В первый период существования трещины оптическая прочность определяется наличием свободных электронов, во второй - интерфе-
рениионными явлениями на трещине, в третий - увеличением по-глошателмюй способности поверхностей трещин вследствие их контакта с окружающей средой.
5. Обнаружено, что пластическая деформация кальцита в услови
ях оптического пробоя импульсным излучением, при Т«293 К, протека
ет в тоїгком приповерхностном слое. Механизмы пластического дефор
мирования - двойникование и трансляционное скольжение, причем
доминирующий механизм зависит от энергии лазерного импульса и
расстояния от центра зоны облучения.
6. Установлено, что доминирующую ролі, в формировании по
врежденного слоя образцов кальцита, облученных при Т«950 К, играет
массовое термическое разложение мнкрообластей кальцита в результа
те перегрева.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Для монокристаллов LiF, NaCl и СаСОз с содержанием примесей
103 - Ю-2 вес.% доминирующей причиной активации роста исходной
макроскопической трещины при лазерном облучении является нагрев
поглощающих включений, расположенных в обьеме материала.
Вероятность активации роста исходной трещины зависит от величины термических напряжений, возникающих на поглощающих включениях н от места их расположения относительно трещины.
2. Исходная трещина оказывает влияние на характер роста близко
расположенной лазсрно-іпідуцнропашюй трещины, обеспечивает воз
можность объединения трещин, увеличивает вероятность разрушения
кристалла при их объединении. В свою очередь, растущая трещина
может инициировать рост исходной за счет механических напряжений,
сопровождающих ее рост.
Уменьшение расстояния между исходной и растущей трещинам' приводит к уменьшению энергии, необходимой для их объединения, г увеличению вероятности такого объединения.
-
Оптический пробой на трещине более опасен для механнч' целостности кристалла, чем оптический пробой на noi/ gwi вероятность увеличивается по мере прохождения лазе /JTs, / через прозрачный материал вследствие нелинейных яв; / о <Р ^ /
-
В зависимости от времени существования тре/А / прочность определяется: а) наличием свободных эле /S а?" с 100 с); б) интерференционными явлениями на тренг g j$ v i"n, зависящего от свойств материала и окружающей ср< /о" t ^ ліем и увеличением коэффициента поглощения пов Ло |? А/ цшы вследствие их контакта с окружающей средой. hq й jgl
5. Пластическая деформация кальцита пг /^ jJ пробое
импульсным излучением протекает в тонком cj /р гч4 W лпературе
облучаемого образца ==290 К поврежденный сл< / , j ^7 .тся за счет
двойникования п трансляционного скольжения. ^>" f~i/
Толщина іншрсждснного слон и доминирующий механизм деформирования зависит от энергии импульса и расстояния от центра зоны облучения.
При высоких температурах (Т=950 К) ноирежденньп'і слоіі формируется за счет радиационного повреждения, трансляционного скольжения и термического разложения в результате перегрева мнкрообластеп. Доминирующим механизмом деформирования при температуре =950 К является массовое термическое разложение мнкрообластеп в результате перегрева.
Практическая ценность.
Полученные в работе результаты позволяют прогнозировать влияние трещин на оптическую и механическую прочность прозрачных материалов. На основании установленного для кальцита характера повреждения при оптическом пробое в широком интервале TeMnqiaTyp можно определить оптимальную эксплуатационную температуру. Временная зависимость оптической прочности прозрачных диэлектриков от времени существования в них трещин позволяет прогнозировать долговечность оптических элементов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 11 международной конференции по прочности материалов ICSMA-11 (Czech Republic, Prague, 1997), па международном симпозиуме по нелинейным электромагнитным системам ISEM-Braunschweig (Germany, Braunschweig, 1997), на международной конференции "Неразрушающее тестирование и компьютерное моделирование в науке и инженерии" (С.-Петербург, 1997-1998 гг.), на IX международной конференции "Взаимодействие дефектов и пеупругне явлення в твердых телах" (Тула, 1997), на XXXIII международном семинаре "Актуальные проблемы прочности" (Новгород, 1997), па Петербургских чтениях по проблемам прочности (С.-Петербург, 1998), на международной конференции "Микромеханнзмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (Тамбов 1996), на международном научном конгрессе студентов, аспирантов и молодых ученых YSTM'96 (Москва, 1996), на IV международной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов" (Воронеж, 1996), на научных конференциях преподавателей и сотрудников Тамбовского государственного университета (1995-1998 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 15 работах, указанных в конце автореферата.
Личный вклад автора. Основные результаты и выводы диссертации получены лично автором.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе и списка цитируемой лтгщэатуры. Работа coдq)жит 135 страниц текста, включая 49 рисунков, две таблицы. В конце jrjiccqiTannn приведен список используемой .шпературы из 198 наименований.
