Введение к работе
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.
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.
