Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Взаимодействие лазерного излучения с прозрачными хрупкими материалами 11
1.1. Физические процессы при воздействии излучения на материалы 11
1.1.1. Воздействие излучения на непрозрачные материалы 12
1.1.2. Воздействие излучения на прозрачные материалы 15
1.2. Выводы по данным литературного обзора 24
1.3. Цели и задачи исследования 25
ГЛАВА 2. Лазерное технологическое оборудование 26
2.1. Лазеры на парах меди 26
2.2. Разработка лазерного оборудования для обработки прозрачных хрупких материалов 30
2.2.1. Разработка лазерного модуля «Кулон-15 Си» 31
2.2.1.1. Определение конструктивных особенностей 31
2.2.1.2. Определение особенностей, параметров и характеристик излучения ...33
2.2.2. Разработка фокусирующих систем излучения ЛПМ 41
2.2.2.1. Расчет параметров склеенных ахроматических объективов 42
2.2.2.2. Экспериментальное исследование параметров склеенных ахроматических объективов 47
2.3. Выводы по главе 2 52
ГЛАВА 3. Механизмы лазерного разрушеніія прозрачных хрупких материалов под действием импульсного излучения 53
3.1. Поглощение излучения прозрачными хрупкими материалами 53
3.1.1. Несобственные механизмы поглощения 53
3.1.2. Собственные механизмы поглощения 57
3.1.2.1. Ударная ионизация 58
3.1.2.2. Многофотонная ионизация 60
3.2. Теория механического разрушения объемов и поверхностей прозрачных хрупких материалов импульсным излучением 61
3.2.1. Физическая постановка задачи и выбор уравнений термоупругого разрушения 61
3.2.2. Критерий образования механического повреждения 64
3.2.3. Формирование трещины 68
3.3 Определение условий роста лазерного разрушения 72
3.3.1. Выбор критерия разрушения материала 72
3.3.2. Зарождение трещины на краю пластины 74
3.3.3. Поведение трещины на стадии стабильного роста 81
3.4. Особенности механического разрушения поверхностей 87
3.5. Выводы по главе 3 90
ГЛАВА 4. Технологические аспекты разрушения прозрачных хрупких материалов излучением ЛПМ 91
4.1. Определение влияния основных параметров излучения ЛПМ на результат обработки 91
4.1.1. Влияние энергетических параметров и характеристик 91
4.1.2. Влияние временных параметров и характеристик излучения 98
4.1.3. Особенности многоимпульсной обработки 99
4.2. Определение оптической чистоты материалов, обрабатываемых излучением ЛПМ 106
4.3. Технология комбинированной обработки импульсами двух длин волн излучения ЛПМ 108
4.3.1. Способ обработки 108
4.3.2. Устройство для комбинированной обработки 111
4.4. Выводы по главе 4 115
ГЛАВА 5. Примеры применения излучения ЛПМ для обработки 116
5.1. Описание экспериментального технологического стенда 119
5.2. Особенности технологии формирования изображений в стекле 124
5.3. Особенности технологии скрайбирования, пробивки отверстий и разделения в режиме удаления прозрачных хрупких материалов 132
5.4. Выводы по главе 5 139
Общие выводы 140
Список литературы 142
Приложение. Результаты расчета объективов 150
- Воздействие излучения на прозрачные материалы
- Определение особенностей, параметров и характеристик излучения
- Физическая постановка задачи и выбор уравнений термоупругого разрушения
- Особенности технологии скрайбирования, пробивки отверстий и разделения в режиме удаления прозрачных хрупких материалов
Введение к работе
При традиционных способах изготовления большинства изделий из стекла (стеклянная тара, элементы мебели, стеклянные ограждения и т.д.) его последующая обработка с целью изменения формы, размеров и качества поверхности практически не производится, поскольку указанные параметры стараются обеспечить на стадии формования (выдувание, вытяжка, прокатка и т.д.). Для других изделий (например, применяемых в электровакуумном производстве и приборостроении) основными методами обработки являются: тепловая обработка в процессе сварки деталей в узлы, направленное нарушение прочности стекла с помощью тепловых, абразивных и твердосплавных инструментов с последующим его разламыванием по намеченному контуру, шлифовка и полировка с целью обеспечения высокой точности и химические методы обработки. В этом случае основными физическими свойствами стекла, предопределяющими использование этих методов, являются хрупкость при нормальной температуре, высокая пластичность, плавно меняющаяся в широком диапазоне температур, начиная от температуры стеклования (размягчения), и химическая неустойчивость. Эти технологические процессы известны давно и доведены в настоящее время до максимальной простоты и совершенства.
Отдельно следует рассматривать лазерную технологию обработки стекла, при которой отсутствует механическое воздействие инструмента (луча) на материал. Данная технология использует кроме указанных ещё и оптические свойства стекла, тем самым значительно расширяя возможности его обработки. Лазерная обработка прозрачных хрупких диэлектриков (стекло, сапфир, алмаз, рубин и др.) является постоянно развивающимся и важным методом обработки для электронной промышленности, электровакуумного производства и приборостроения. Операции лазерного разделения хрупких материалов, применяемые в указанной области, обеспечивают требуемые высокие показатели чистоты получаемых изделий, точности геометрии и качества
обработанных поверхностей. В этой области применяются различные типы
лазеров, и для каждого случая обработки доминирующим является тот или
иной механизм разделения материала: абляция или термоупругое разрушение.
С помощью лазерного излучения могут выполняться следующие
технологические процессы: скрайбирование, управляемое термораскалывание,
сварка, возгонка отверстий, сквозное разделение стекла с одновременным
оплавлением краёв и объемная обработка. Лазерное скрайбирование
представляет собой локальное ослабление прочности стекла, не приводящее к
самопроизвольному его разделению, с последующим механическим
разламыванием по намеченному контуру. Под управляемым
термораскалыванием имеется в виду локальный нагрев листового стекла по заданному контуру, режим которого обеспечивает последующее за нагревом появление трещины в стекле, которая с достаточной точностью следует за перемещающимся следом лазерного луча по поверхности материала. Операции лазерного разделения хрупких материалов, применяемых в электронной промышленности, обеспечивают высокую чистоту получаемых изделий. Поскольку абразивная и алмазная обработка трудно реализуемы в вакууме, лазерная обработка практически не имеет альтернатив при изготовлении полупроводниковых особо чистых изделий. Лазерная сварка стекла и другие операции, связанные с его расплавлением, отличаются от известных процессов только ограниченной областью нагрева и, так же, как возгонка отверстий и сквозное разделение, не нуждаются в общих пояснениях. Кроме того, в последнее время всё более широкое распространение приобретает лазерная объёмная обработка стекла. Данная технология является уникальной в том смысле, что в процессе обработки импульсное лазерное излучение фокусируется в объём материала, и в стекле образуются внутренние микроразрушения, при этом поверхность материала остаётся не затронутой воздействием. Таким образом, путём периодической фокусировки импульсного лазерного луча в стекло создаётся совокупность микроразрушений,
представляющая собой определённую пространственную картину. Несмотря на то, что целенаправленное формирование микроразрушений на поверхности и в объеме прозрачных материалов началось исследователями ещё в конце 80-х годов прошлого столетия, к настоящему времени не сформировано конкретного системного решения проблемы лазерной обработки материалов, прозрачных для лазерного излучения. Опубликованные по этой теме материалы имеют, за небольшим исключением, характер реклам, патентных описаний и кратких сообщений о возможности осуществления технологических операций—без детального анализа происходящих при этом физических процессов. Также актуальной является задача о создании инициатора разрушения для получения целенаправленного разрушения в процессе лазерного термораскалывания, поскольку в работах, посвященных технологии термораскалывания этому вопросу уделяется недостаточно внимания.
Наиболее часто применяемыми для обработки являются С02-лазеры, эксимерные лазеры, твердотельные лазеры с неодимом и лазеры на парах меди (ЛПМ), в области создания которых за последние несколько лет были достигнуты значительные результаты.
На сегодняшний день лазер на парах меди представляет собой источник мощного (средняя мощность до 100 Вт) импульсного видимого излучения с длиной волны 0,51 и 0,58 мкм, с высокой частотой следования импульсов от 2 до 50 кГц, короткой длительностью импульсов порядка 20 не с высоким качеством, близким к дифракционному (расходимость порядка 0,2 мрад), и высокой пиковой мощностью (от 10 до 1000 кВт). Такое сочетание параметров излучения является идеальной комбинацией для прецизионной микрообработки с испарением практически любых материалов и на сегодняшний день является причиной повышенного интереса к излучению ЛПМ как к технологическому инструменту. При этом современные модели являются простыми в использовании, надежными и обладают низкими эксплуатационными расходами, что также послужило причиной их широкого применения в
промышленности для операций пробивки микроотверстий и прецизионной резки металлов.
В настоящее время отсутствует систематизированное представление о возможностях использования импульсно-периодического излучения для обработки прозрачных хрупких диэлектриков. Поэтому в полной мере не используются технологические возможности современных лазеров с указанным типом излучения, в частности, твердотельных лазеров с диодной накачкой и ЛПМ.
В связи с изложенным, исследование процессов взаимодействия излучения лазера на парах меди с прозрачными хрупкими диэлектрическими материалами и разработка способа технологического воздействия данного излучения на указанные материалы при операциях разделения является актуальной задачей.
Данная работа посвящена исследованию и разработке процессов разделения прозрачных хрупких диэлектрических материалов с помощью излучения лазера на парах меди.
Научная новизна заключается в решении проблемы управления технологической обработкой прозрачных хрупких материалов импульсно-периодическим излучением ЛПМ, состоящем в следующем:
Установлено, что в случае воздействия импульса излучения ЛПМ с интенсивностью выше критической при превышении термоупругими растягивающими напряжениями предела прочности в прозрачном хрупком материале образуется трещина. Это происходит при превышении температурой и скоростью изменения температуры материала критической величины.
Установлено, что для избежания вызванного действием термоупругих напряжений растрескивания поверхности, образованной в процессе резки или прошивки отверстия с удалением материала путем абляции, интенсивность импульса излучения ЛПМ должна обеспечивать нагрев материала выше температуры абляции, но быть ниже критической для образования трещины.
3. Разработан способ двухимпульсной обработки с удалением материалов, для которых нагрев выше температуры абляции не может быть обеспечен одним импульсом ЛПМ с интенсивностью ниже критической, при которой образуется трещина. В этом способе нагрев материала до температуры абляции происходит последовательно двумя импульсами волновых составляющих (0,51 и 0,58 мкм) излучения ЛПМ, интенсивность каждого из которых ниже критической для образования трещины.
Результаты работы были использованы при:
Разработке способа и устройства объемной лазерной маркировки прозрачных хрупких материалов, позволяющих повысить разрешение и яркость получаемого изображения путем уменьшения размеров и устранения зоны трещинообразования около разрушения. В способе воздействие на материал происходит двумя импульсами излучения. Первый импульс имеет допороговую интенсивность. Задержка по времени между первым и вторым импульсом сравнима со временем релаксации температурного поля и поля напряжений в материале, возникающих в результате воздействия первого импульса. Второй импульс формирует полость в объеме материала.
Проведении модернизации ЛПМ типа «Кулон» с одним активным элементом на основе разработанных технических требований к лазерному технологическому оборудованию. Определены зависимости средней мощности и расходимости излучения от параметров используемого резонатора.
3. Определении диапазона параметров излучения ЛПМ и соответствующих
элементов лазерного оборудования, необходимых для процессов разделения
различных марок стекла, алмаза, рубина, сапфира.
4. Расчете, изготовлении и исследовании объективов для фокусировки
излучения ЛПМ с двумя длинами волн. В результате проведенных расчетов и
экспериментов получены значения размера пучка излучения ЛПМ в фокусе
ахроматических склеенных двухлинзовых объективов с различным фокусным
расстоянием.
5. Создании автоматизированного лазерного технологического комплекса
t на базе ЛПМ в ФГУП «НПП «Исток», г. Фрязино для прецизионной обработки
прозрачных материалов, в состав которого вошли разработанные устройства.
Основные материалы работы опубликованы в 3-х печатных работах. Материалы работы составили также содержание соответствующих глав 3-х научно-технических отчетов по НИР и ОКР.
Результаты работы докладывались на:
Конференции «Лазерные системы и их применение. Лазерные системы'2004», Кострома, 29 июня-1 июля 2004 г.
Международном симпозиуме «Образование через науку», Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 17-19 мая 2005 г.
Научных семинарах кафедры «Лазерные технологии в машиностроении» (МТ-12) МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002-2005 гг.
>
Воздействие излучения на прозрачные материалы
В прозрачных материалах, для которых коэффициент поглощения мал (а 10" см"), существенную роль в процессах поглощения излучения и последующей модификации материала (здесь и далее под модификацией будет пониматься изменение материала: плавление, испарение, образование трещин и т.д.) могут играть различные центры поглощения (скопления примесей, пузырьки газа, микротрещины и т.д.). В области прозрачности твердых тел для воздействия на материал возможно использование механизмов локального поглощения лазерного излучения. Локальное поглощение в материале при определённых условиях (параметрах излучения и свойствах материала) приводит к явлению оптического пробоя в прозрачных твёрдых телах, в том числе и стёклах.
Процесс лазерного пробоя прозрачных материалов можно условно разбить на два этапа [3]: - на первом происходит поглощение энергии лазерного излучения, которое может быть связано с наличием примесей или быть свойством чистого материала, - на втором этапе поглощённая энергия приводит к локальному возрастанию температуры и необратимому изменению материала.
Можно выделить [4] два вида пробоя приводящего к модификации материала, вызванного локальным поглощением в материале: несобственный пробой и собственный пробой. Первый обусловлен тепловыми эффектами (термоупругие напряжения, тепловая ионизация, фотоионизация излучением нагретых включений, термохимические и механохимические реакции и др.), инициируемыми в оптическом материале поглощающими включениями и дефектами. Второй обусловлен процессами, свойственными самой матрице материала (световое давление, электрострикция, генерация гиперзвука при вынужденном мандельштам-бриллюэновском рассеянии (ВРМБ) света, ударная (электронная лавина) и многофотонная ионизация).
Роль поглощающих включений в разрушении стекол была обнаружена уже довольно давно. Дальнейшие исследования показали, что поглощающие дефекты и включения, всегда присутствующие в том или ином количестве в реальных материалах, в большинстве случаев являются доминирующим источником лазерного разрушения как поверхностей, так и объёмов образцов, понижая (иногда очень значительно) пороговую интенсивность, при которой наступает изменение состояния материала.
Исследования показали, что из отмеченных выше собственных механизмов лазерного пробоя наиболее вероятными являются ударная и многофотонная ионизация. Другие собственные механизмы, обсуждавшиеся в литературе, связанные со световым давлением, электрострикцией, генерацией звука при ВРМБ, оказываются недостаточно эффективными, чтобы вызвать разрушение. Более того, процесс ВРМБ даже препятствует образованию разрушения, поскольку приводит к уменьшению локальной интенсивности распространяющегося лазерного пучка вследствие обратного рассеяния. Причём эффективность ударной ионизации (электронной лавины) была надёжно подтверждена экспериментально при исследовании лазерного разрушения в особо чистых щелочно-галоидных кристаллах.
Важным аспектом проблемы лазерной модификации материала является вероятностный характер процессов модификации, причём, он относится как к несобственному, так и к собственному механизмам пробоя. Для первого он обусловлен случайным пространственным распределением поглощающих дефектов, обладающих различными характеристиками (и в силу этого, заметно меняющих наблюдаемые закономерности порога пробоя при варьировании каких-либо параметров излучения), а для второго он связан с вероятностным характером рождения затравочных электронов, инициирующих развитие лавинной ионизации. Ряд авторов [5] к причинам статистических проявлений разрушения относит также флуктуации интенсивности лазерного излучения (как временные, так и пространственные). С вероятностной природой тесно связана одна из характерных особенностей лазерного разрушения— зависимость порога пробоя от размера области взаимодействия (так называемый размерный эффект). В связи с этим на практике за пороговую интенсивность лазерного пробоя обычно принимают величину Ith(l/2)— максимальную интенсивность лазерного излучения в области фокусировки, при которой пробой происходит в половине подвергнутых облучению областей материала. Наблюдаемая дисперсия порога пробоя может составлять 30-50% от Ith(l/2) и более. Следует отметить, что одновременное экспериментальное наблюдение дисперсии порога пробоя и согласованного с ней размерного эффекта рассматривается обычно как подтверждение реализации пробоя, инициированного дефектами [6].
В процессах лазерного разрушения важную роль играет эффект накопления, заключающийся в том, что макроразрушения на поверхности и в объёме прозрачного материала образуются в результате воздействия серии импульсов лазерного излучения при интенсивностях, ниже порога одноимпульсного разрушения. Физические причины снижения лазерной прочности в режиме многократного излучения могут быть связаны как с вероятностной природой разрушения, так и с накоплением необратимых изменений в материале. Последнее, как в настоящее время установлено экспериментально, является типичной причиной снижения лазерной прочности большинства материалов. Установлено также, что процессы накопления необратимых изменений связаны с поглощающими включениями и дефектами материалов [7].
Весьма существенную роль в процессах лазерного разрушения могут играть эффекты самовоздействия: самофокусировка, самодефокусировка, вынужденное рассеяние излучения в облучаемой среде. Влияние первого эффекта, приводящего к сильному увеличению интенсивности на оси пучка, распространяющегося в среде излучения, обнаруживается при разрушении весьма чистых прозрачных материалов. Порог разрушения в этом случае определяется не собственно лазерной прочностью материала, а порогом самофокусировки. Так, часто наблюдаемый нитевидный характер разрушений (при этом поперечный размер трека разрушения существенно меньше размера каустики фокусирующей линзы, а продольный размер имеет величину около 1 см и более) связывают с самофокусировкой и объясняют движением нелинейного фокуса в среде, если лазерный импульс имеет колоколообразную временную форму.
Определение особенностей, параметров и характеристик излучения
Принципиальным отличием излучения разработанного лазера от излучения взятой за базу модели ЛПМ «Кулон-10 Си» явилась возможность высокоскоростной импульсной модуляции излучения. Такая модуляция представляет собой управление энергией (и мощностью) любого импульса в последовательности импульсно-периодического излучения. Физические основы процессов, благодаря которым стало возможным управление излучением изложены в работах [16, 17]. Необходимость обеспечения управления излучением в процессе обработки была продиктована алгоритмом обработки, когда воздействие импульса(ов) излучения на материал при неподвижном луче чередуется с безызлучательным перемещением оси луча или материала в следующую для обработки точку. Во время перемещения излучение не должно воздействовать на материал, т.е. мощность излучения в этот период времени должна быть нулевой.
ЛПМ с системой модуляции импульсно-периодического излучения содержит управляемый компьютером вспомогательный маломощный генератор наносекундных импульсов для формирования в АЭ дополнительных (управляющих) импульсов тока. Под воздействием управляющих импульсов с компьютера указанный генератор импульсов формирует импульсы возбуждения газоразрядного промежутка лазера, которые, оказывая дополнительное к основным импульсам возбуждения лазера действие, формируют импульсы лазерного излучения с разной мощностью. При этом с помощью формирования компьютером определенных последовательностей управляющих импульсов имеется возможность формировать любые последовательности импульсов излучения. Обработка осуществляется пакетами, состоящими из одного или нескольких импульсов, чем достигается точное дозирование энергии, сообщаемой одной точке обрабатываемого материала, а время прохождения импульсов с нулевой мощностью используется для перемещения материала и/или излучения в следующую точку пространства для дальнейшей обработки следующим пакетом импульсов. При этом последовательность импульсов лазера может иметь вид, показанный на рис. 2.2(6). Для обработки используется пакет из п импульсов, а для перемещения излучения и/или изделия в требуемое положение используется время прохождения m импульсов с недостаточной для обработки (нулевой) энергией.
Исследования параметров и характеристик излучения созданного ЛПМ «Кулон-15 Си» с АЭ "Кулон LT-15Cu" указали на сохранение качества излучения, несмотря на увеличение мощности и введение импульсной модуляции излучения. Так, для неустойчивого резонатора, наиболее перспективного с технологической точки зрения, теоретически и экспериментально была исследована зависимость расходимости излучения резонаторных пучков от параметра увеличения резонатора М (рис. 2.3).
Особенностью излучения ЛПМ с неустойчивым резонатором (HP) телескопического типа с увеличением (М) в десятки и сотни крат является многопучковая структура выходного излучения, обладающая коаксиальной симметрией: два, всегда присутствующих, пучка сверхсветимости и несколько (обычно 2 или 3) резонаторных пучков. Количество пучков ограничено временем существования инверсии (20-40 не). Первый пучок сверхсветимости формируется только геометрической апертурой разрядного канала АЭ из усиливающихся спонтанных «затравок», второй—при участии «глухого» зеркала резонатора. Каждый пучок излучения обладает своими пространственными, временными и энергетическими характеристиками. 0, мрад 1—первый резонаторный пучок, 2— второй резонаторный пучок
Пучки частично перекрываются в пространстве и во времени, конкурируя между собой по мощности в процессе прохождения через активную среду (разрядный канал). Начало импульса второго пучка сверхсветимости отстает от начала первого примерно на время At=210/c, где 1о—расстояние от активной среды (разрядного канала) до «глухого» зеркала резонатора, с—скорость света. Начало импульса первого резонаторного пучка отстает от начала импульса второго пучка сверхсветимости на время одного двойного прохода излучением длины резонатора, начало импульса второго—на два двойных прохода и т.д., т.е. на At=(2L/c)-n, где L—длина резонатора, п—число двойных проходов. Начало импульса каждого резонаторного пучка отстает от начала предыдущего на At=2L/c. Расходимость первого пучка сверхсветимости определяется практически отношением oti=Dk/lk, где Dk и 1к-диаметр и длина разрядного канала, второго— ct2=Dk/l, где 1—расстояние от выходного конца (апертуры) разрядного канала до «глухого» зеркала. Расходимость этих пучков естественно большая и практической ценности для обработки они не представляют. Расходимость резонаторных пучков можно с высокой точностью рассчитать по формуле [15
Видно, что с увеличением М и п расходимость стремится к дифракционному пределу 2,24А/ Dk. Схематически распределение интенсивности выходного излучения в ближней и дальней зоне показано на рис. 2.4.
Физическая постановка задачи и выбор уравнений термоупругого разрушения
Механизм электронной лавины, согласно современным представлениям, развивается в чистом материале следующим образом: в области с большим локальным электрическим полем начальные электроны образуются при многофотонной ионизации атомов и поглощают световые кванты при столкновениях с атомами или ионами; после набора энергии несколько большей, чем потенциал ионизации, каждый электрон ионизует атом с большей вероятностью; в результате этого процесса один электрон порождает два электрона с меньшей энергией, которые начинают весь цикл заново. Наличие начальных свободных электронов иногда связывается с небольшим количеством примесей в среде.
Наиболее строгое рассмотрение задачи о лавинном поглощении, вызывающем пробой прозрачных хрупких материалов, должно [27, 28] основываться на решении квантового кинетического уравнения для электронов зоны проводимости, которое описывает процесс размножения электронов вследствие ударной ионизации.
Предсказываемые теорией характерные частотная и температурная зависимости величины критической интенсивности поля пробоя для лавинного механизма пробоя были использованы для экспериментальной проверки реализуемости этого механизма в щелочногаллоидных кристаллах [29, 30]. В особо стойких к излучению образцах NaCl, KG1 и КВг наблюдались воспроизводимые частотные и температурные зависимости критической интенсивности, которые на некоторых частотах излучения соответствовали теоретически предсказанным для лавинного механизма. Анализ приведенных в работах данных показал, что частотная зависимость в диапазоне длин волн 10,6ч-0,б9 мкм достаточно хорошо согласуется с обсуждавшейся теоретической зависимостью для электронной лавины. Температурные зависимости порога разрушения, наблюдаемые на А,=1,06 и 0,69 мкм, также хорошо объясняются в рамках описанной теории лавинного механизма. Однако, эта теория не объясняет наблюдаемые зависимости пороговой интенсивности от температуры для =10,6; 2,76 и 0,53 мкм. Такое несоответствие привело к предположению о том, что для длинноволнового излучения (10,6 и 2,76 мкм) процесс лавинной ионизации сдерживается недостатком затравочных электронов. Что касается наблюдаемого отсутствия температурной зависимости порога пробоя на =0,53 мкм, то оно может быть связано с другим механизмом поглощения— многофотонной ионизацией.
Согласно общепринятым представлениям, затравочные электроны, необходимые для развития электронной лавины, обусловленной ударной ионизацией, возникают вследствие фотоионизации примесей, дефектов или многофотонной ионизации основных атомов решетки кристалла. Если в результате этих процессов концентрация электронов No в объеме взаимодействия уже на начальных участках лазерного импульса окажется достаточно большой, так что NoV l, то критическое поле пробоя определяется скоростью развития электронной лавины, которая очень слабо зависит от No. В противном случае, т.е. при N0V 1, критическое поле будет определяться не столько скоростью развития лавины, сколько скоростью рождения затравочных электронов. При этом процесс разрушения приобретает существенно статистический характер: порог пробоя определяется вероятностью появления затравочного электрона.
Основные статистические закономерности пробоя в этом случае устанавливают рассматривая одновременно процесс образования затравочных электронов, связанный с многофотонной ионизацией основных атомов решетки, примесных атомов или дефектов, и формирования лавины.
Выше многофотонная ионизация рассматривалась как вспомогательный процесс, обеспечивающий поставку затравочных электронов, необходимых для развития ударной ионизации. Однако, если вероятность многофотонной ионизации Wn высока, то скорость генерации электронов в зоне проводимости за счет этого процесса может превосходить таковую вследствие ударной ионизации, и, следовательно, первый процесс может оказаться доминирующим в поглощении. Для определения величины Wn можно воспользоваться формулой Келдыша (см. [4, с. 206]).
Целенаправленных экспериментальных исследований по выяснению реализуемости многофотонной ионизации как доминирующего процесса поглощения до сих пор сделано не было, хотя в литературе (см., например, [23-25, 31]) было несколько попыток анализа экспериментальных данных. В частности, в [31] было показано, что пороговая интенсивность лазерного разрушения в Si на А,=2,76 мкм достаточно хорошо объясняется трехфотонной ионизацией.
Характерные времена процессов, важных в задаче о механическом разрушении объемов и поверхностей прозрачных твердых тел в результате локального поглощения лазерного излучения, для электрон-фононной релаксации (терь), установления термоупругих напряжений в области локального нагрева размером 1 мкм (TS) и раскрытия трещины (ifr) по порядку величины составляют 10"12, 1(Г9 и 10"8 с соответственно [10]. Сопоставление этих времен показывает, что наиболее медленным является процесс раскрытия трещины. При воздействии импульсов пико-наносекундной длительности можно выделить три последовательных этапа формирования повреждения: поглощение энергии и формирование неравновесного электронного состояния, релаксация неравновесного состояния к локальному термодинамическому равновесию и развитие механического разрушения. Существенно, что во время протекания первых двух этапов механическое разрушение реализоваться не успевает. В области импульсов наносекундной длительности (куда относится излучение ЛПМ) энергия излучения поглощается электронной подсистемой, и происходит нагрев матрицы в течение действия лазерного импульса, а её разрушение происходит после его прохождения через область взаимодействия.
Для возникновения разрушения необходимо, чтобы за время воздействия лазерного импульса электронная подсистема поглотила достаточно энергии для нагрева решетки твердого тела (при электрон-фононной релаксации) до температуры, превышение которой вызывает механическое разрушение.
Особенности технологии скрайбирования, пробивки отверстий и разделения в режиме удаления прозрачных хрупких материалов
Другой, не менее значимой для изучения процесса взаимодействия излучения ЛПМ с прозрачными хрупкими материалами, зависимостью является зависимость размеров разрушения от параметров фокусировки излучения. Поскольку в данной работе для фокусировки использовались ахроматические объективы, обеспечивающие при фокусировке различные размеры каустики и плотности энергии в зависимости от фокусного расстояния, то интерес представляет получение зависимости размеров разрушения от фокусного расстояния объектива.
Исследуя зависимость размеров разрушений от размеров каустики сфокусированного лазерного излучения, следует более подробно остановиться на рассмотрении так называемого «размерного эффекта», который заключается в зависимости параметров процесса разрушения (порога разрушения, размеров разрушения и т.д.) от размера области взаимодействия.
Статистический характер лазерного разрушения в одноимпульсном режиме экспериментально надежно установлен [54]. Для одноимпульсного разрушения, связанного с поглощающими неоднородностями, он определяется вероятностью попадания включений в область взаимодействия. В условиях доминирования данного механизма разрушения избавиться от влияния статистики невозможно: она присуща самой природе разрушения, обусловленного неоднородностями, случайно распределенными по объему твердого тела. В работе [5] выявлены взаимосвязи между вероятностью разрушения и размерной зависимостью порога разрушения в условиях как однократного, так и многократного облучения. Авторами установлено, что функция пороговой интенсивности Ip(v, u) [Р—заданная надежность невозникновения разрушения; Р 1; v—элементарный объем (размер) области взаимодействия; ц,—параметр, характеризующий физические и геометрические характеристики неоднородности (коэффициент поглощения, размер и т.д.) и параметры падающего излучения (длительность импульса, длина волны и т.д.)] монотонно убывает с ростом объема фокальной области. При фиксированном ц, Ip(v, и.) будет зависеть только от объема области взаимодействия: Ip(v, pi) = Ip(v). Зависимость Ip(v) определяется геометрией области взаимодействия и в общем случае формируется за счет вкладов неоднородностей различных типов. Поведение этой размерной зависимости в случае разрушения гауссовым пучком описывается с помощью разбиения области интенсивностей на отрезки [I(s), I(s+l)] (I(s) находится из уравнения —количество типов включений. k=l В точках I(s) производная от Ip(v) по v испытывает разрыв, который определяется концентрацией неоднородностей, участвующих в разрушении. Изменение параметра ц, обуславливает изменение 1к(ц) и, следовательно, изменение границ областей [I(s), l(s+1)], а также величины Ief. Зная зависимость плотности мощности в пятне фокусировки или диаметра пятна в фокусе от фокусного расстояния ахроматического объектива (см. рис. 2.10), а также зависимость размеров разрушения от плотности мощности излучения (рис. 4.1), возможно получить практически полезную зависимость размеров разрушения от фокусного расстояния объектива (рис. 4.3). Поскольку плотность мощности в пятне фокусировки обратно пропорциональна квадрату радиуса пучка в фокусе объектива (q l/rf), то учитывая, что радиус пучка в фокусе rf пропорционален фокусному расстоянию объектива Г (см. рис. 2.9), имеем q-1/Г. Как показано выше, j (q) , следовательно, j l/f. Однако, экспериментально было установлено, что на размер разрушения оказывает влияние так называемый «размерный эффект», заключающийся в увеличении поглощенной энергии, следовательно, и размера разрушения при увеличении области взаимодействия. На рис. 4.3 приведена зависимость для объемного разрушения, полученная теоретически (j l/f), (кривая), и экспериментально (точки) с использованием излучения ЛПМ. В эксперименте использовалось излучение с параметрами, соответствующими увеличению резонатора М=200. Материал: борское листовое флоатстекло, толщина 4 мм. Что касается рассмотрения влияния энергетических характеристик излучения ЛПМ на процесс зарождения трещины на краю пластины при термораскалывании материалов типа стекла, то предварительно следует отметить некоторые особенности поглощения и распространения тепла для данного случая. В первую очередь следует отметить, что процесс поглощения излучения в случае нагрева материала при термораскалывании, в отличие от локального поглощения при высоких интенсивностях излучения при формировании микроразрушения, происходит по закону Бугера-Ламберта (1.1). Очевидно, что для развития трещины, температура нагрева стекла не должна превышать температуру размягчения (потери упругих свойств) (530 -f- 1100С). Так как температура нагрева материала определяется плотностью мощности излучения [55]:
