0.7. Силовое действие сверхкоротких импульсов на прозрачные диэлектрики

В разделе 3 показано, что силовое воздействие лазерного излучения на прозрачные материалы определяется изменением поглощения среды вследствие изменения ее агрегатного состояния. При действии сверхкоротких лазерных импульсов во время действия импульса успевают произойти только наиболее быстрые процессы возбуждения электронов, в результате которых образуется плазма, сильно поглощающая излучение, падающее на вещество.

На начальной стадии воздействия при больших интенсивностях лазерного излучения необходимо принимать во внимание нелинейные эффекты при поглощении света, которые определяют распределение интенсивности излучения и свойства диэлектрика в области воздействия. Как показывают эксперименты, эти явления практически не влияют на интегральные характеристики силового воздействия сверхкоротких импульсов на диэлектрики, поэтому мы на них останавливаться не будем.

Возбуждение свободных электронов в диэлектриках под действием лазерного излучения возможно либо путем многофотонной ионизации, либо лавинной ударной ионизацией. Порог ионизации для многих материалов порядка (10¹³ - 10¹⁴) Вт/см² при сильной нелинейной зависимости от интенсивности. Для кварца, при плотности мощности 10¹⁴ Вт/см² и длительности импульса 20 фс доминирует многофотонная ионизация, а плотность свободных электронов достигает величины 10²³ см^-3. При плотности же мощности 2∙10¹³ Вт/см² полная ионизация не достигается и к концу импульса длительностью 100 фс.

Разрушения диэлектрика произойдет тогда, когда во время действия импульса будет достигнута такая концентрация свободных электронов и такая их энергия, что запасенной в электронном газе энергии будет достаточно для начала абляции, которая может произойти и после окончания лазерного импульса.

Порог разрушения при многофотонной ионизации определяется количеством квантов излучения, необходимых для достижения пороговой плотности свободных электронов и энергией запасенной в электронном газе, достаточной для начала абляции. То есть порог зависит и от длины волны излучения (энергии кванта) и плотности энергии в области облучения. При малых длительностях импульса, когда малы потери, порог не зависит от длительности импульса. При ударной лавинной ионизации порог разрушения определяется напряженностью ускоряющего электрического поля (плотности мощности лазерного излучения) и длительностью воздействия. С увеличением длительности импульса порог разрушения должен возрастать, поскольку будут расти потери.

Рис. 0.25. Зависимость порога разрушения плавленого кварца от длительности импульса для различных длин волн лазерного излучения.

На рис. 0.25 приведены экспериментальные зависимости порога разрушения плавленого кварца от длины волны и длительности импульса действующего излучения, как видно, эти зависимости вполне подтверждают приведенные рассуждения.

Пороги абляции диэлектриков при действии сверхкоротких импульсов выше порогов абляции металлов, поскольку необходимо ионизировать все атомы в зоне воздействия.

Контрольные вопросы к разделу 4

1. В чем проявляются специфические условия взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов с веществом?

2. Каковы основные положения классической двухтемпературной модели?

3. Изобразите графически качественное изменение электронной и решеточной температур металла в случае лазерного воздействия импульсом фемтосекундного диапазона.

4. Когда обычно начинается абляция мишени в случае лазерного фемтоимпульса?

5. Как изменяется порог абляции при укорочении лазерного импульса?

6. Каковы особенности экспериментального изучения воздействия фемтосекундных лазерных импульсов на материалы?

7. Почему при фемтосекундном лазерном воздействии формируются условия для наблюдения колец Ньютона?

8. Как протекает гетерогенное плавление кристалла в условиях длинных лазерных импульсов?

9. Как зависит характерное время плавления от плотности энергии лазерного излучения (пикосекундный диапазон)?

10. В чем суть модели нетермического «холодного» плавления кремния?

11. Чем обусловлен механизм фотофизической лазерной абляции вещества?

12. Почему реализация фотофизического механизма затруднена при абляции твердых веществ?

13. Как можно объяснить образование универсального «плазменного зеркала», наблюдавшегося для широкого круга материалов при плотностях световых потоков порядка 10¹⁵Вт/см²?

14. Поясните механизм образования поверхностных периодических структур при воздействии сверхкоротких импульсов.

15. Назовите два основных вида возбуждения свободных электронов в диэлектриках под действием лазерного излучения.