лучевая прочность

ЛУЧЕВАЯ ПРОЧНОСТЬ - способность среди или элемента силовой оптики сопротивляться необратимому изменению оптич. параметров и сохранять свою целостность при воздействии мощного оптич. излучения (напр., излучения лазера). Л. п. при многократном воздействии часто наз. лучевой стойкостью. Л. п. определяет верх. значение предела работоспособности элемента силовой оптики. Понятие Л. п. возникло одновременно с появлением мощных твердотельных лазеров, фокусировка излучения к-рых в объём или на поверхность среды приводила к её оптическому пробою. Л. п. численно характеризуется порогом разрушения (порогом пробоя) q^х - плотностью потока оптич. Излучения, начиная с к-рой в объёме вещества или на его поверхности наступают необратимые изменения в результате выделения энергии за счёт линейного (остаточного) или нелинейного поглощения светового потока, обусловленного многофотонным поглощением, ударной ионизацией или возникновением тепловой неустойчивости. Первые два механизма реализуются в прозрачных средах, лишённых любого вида поглощающих неоднородностей, а также при микронных размерах фокальных пятен или предельно малых длительностях импульсов излучения. При этом Л. п. достигает очень больших значений ~10¹⁰-10¹³ Вт/см². При значит. размерах облучаемой области оптич. пробой обусловлен тепловой неустойчивостью среды, содержащей линейно или нелинейно поглощающие неоднородности (ПН) субмикронных размеров. Рост поглощения в окружающей микронеоднородность матрице связан с её нагревом ПН. При этом в материалах с малой шириной запрещённой зоны увеличивается концентрация свободных электронов, а в широкозонных диэлектриках происходит термич. разложение вещества. Распространяющаяся по веществу волна поглощения, инициированная неоднородностью, приводит к быстрому росту размеров поглощающего дефекта до критич. величины, при к-рой образуются макроскопич. трещины. Тепловая неустойчивость в реальных оптич. средах в широких световых пучках возникает при энергетич. освещённости в пределах 10⁶-10⁷ Вт/см² для импульсов длительностью больше 10^-5 с. С уменьшением длительности импульса Л. п. возрастает вследствие нестационарности нагрева неоднородностей. Л. п. резко увеличивается при уменьшении размеров облучаемой области из-за уменьшения вероятности попадания ПН в световой пучок (рис. 1). При диаметрах светового пятна больше 1 мм Л. п. обычно выходит на пост. уровень. В любых режимах воздействия лазерного излучения на среду Л. п. зависит от энергии связи ширины запрещённой зоны) кристаллов и степени связности полимерного каркаса стёкол (рис. 2). Порог разрушения среды с температурной зависимостью коэф. поглощения вида определяется по ф-ле

где R - размер неоднородности, - поглоща-тельная способность неоднородности, - теплопроводность матрицы, T^х - характерная для конкретного материала темп-pa. Так, напр., для полупроводников, прозрачных в ИК-области спектра, , а Т* равна половине ширины запрещённой зоны, выраженной в градусах. Для диэлектриков, прозрачных в видимой области, и Т* - формальные параметры, описывающие температурный рост поглощения за счёт термич. разложения материала. Измеренные значения T^x и для нек-рых материалов приведены в таблице. Разрушение материалов, содержащих поглощающие технол. дефекты микронных размеров, не связано со стадией тепловой неустойчивости, а обусловлено возникновением трещин за счёт термона-пряжений в окрестности дефекта. Л. п. таких материалов составляет 10³-10⁶ Вт/см². Поскольку Л. п. зависит от размера ПН, она перестаёт быть определ. величиной, если в среде содержатся ПН разного размера, и характеризуется вероятностью пробоя в данных условиях (рис. 3). Для матем. описания пробоя в этом случае используют статистич. методы. Л. п. элементов силовой оптики из металлов также ограничивается присутствием ПН, инициирующих локальное плавление и испарение поверхности. С наличием неоднородности часто связано возбуждение поверхностных электромагнитных волн и локализованных плазмонов, вследствие чего падает коэффициент отражения металла и резко возрастает скорость нагрева поверхности.

Рис. 1. Изменение порога пробоя поверхности стекла К8 в зависимости от размеров облучаемого пятна d при трёх длительностях импульса неодимового лазера.

Рис. 2. Относительный порог разрушения щёлочно-галоидных кристаллов и стёкол в зависимости от энергии связи U кристаллической решётки и степени связности крем-некислородного каркаса f: а - импульс длительностью 30 пкс, d=6,6 MKM, фокусировка в объём; б - импульс длительностью с, d=300 MKM, фокусировка в объём (1) и импульс длительностью , d=300 мкм, фокусировка на поверхность (2).

Рис. 3. Вероятность оптического пробоя поверхности стекла К8 в зависимости от плотности светового потока при различных площадях пятен S: 1 - S=l,8 мм²; 2 - 7,3 мм²; 3 - 30 мм²; 4 - 120 (130) мм².

Лит.: Данилейко Ю. К. и др., Поверхностное разрушение кристаллов, рубина лазерным излучением, "ЖЭТФ", 1970, т. 58, с. 31; Алешин И. В. и др., Оптический пробой прозрачных сред, содержащих микронеоднородности, "ЖЭТФ", 1976, т. 70, с. 1214; Либенеон М. Н., Плазменно-химическая модель оптического пробоя прозрачных диэлектриков, "Письма в ЖТФ", 1977, т. 3, с. 446; Бессараб А. В. и др., Статистические закономерности поверхностного разрушения оптического стекла под действием широких пучков лазерного излучения, "Квантовая электроника", 1977, т. 4, № 2, с. 328; Глебов Л. Б. и др., Новые представления о собственном оптическом пробое прозрачных диэлектриков, "ДАН СССР", 1986, т. 287, №5, с. 1114.

Я. А. Имас.

   <<      Предметный указатель      >>