Наносекундное-фемтосекундное лазерное разрушение диэлектриков:

Теоретические и экспериментальные исследования ширины импульса и длины волны при масштабировании повреждений диэлектриков, вызванных лазером, были предметом многочисленных исследований. Для импульсов длиной более нескольких десятков пикосекунд общепринятая картина повреждения без дефектов диэлектриков включает нагрев электронов в зоне проводимости с помощью падающего излучения и передачей этой энергии на решетку. Повреждение имеет место в том случае, когда полученного тепла достаточно для расплава, кипения или разрушения диэлектрического материала.

Разница в повреждениях лазером при длительном (наносекундном, пикосекундном) и коротком (фемтосекундном) импульсе заключается в том, что повреждения при коротких импульсах считаются очень детерминированными. Энергия откладывается в материал до того, как может произойти передача энергии на решетку. Было установлено, что пороговая текучесть масштабируется по квадратному корню продолжительности импульса . Разрушение тонких пленок, вызываемое наносекундными и пикосекундными импульсами, объяснялось на основе тепловой модели, включающей поглощение центрами примесей и последующую тепловую диффузию. Значительные различия в морфологии повреждения и отклонение от выравнивания степени повреждения по методу диффузии  указывают на то, что повреждения возникают в результате абляции для  и обычной плавки, кипения и трещины для .

Теоретическая картина повреждения диэлектриков, вызванного лазером, намного проще для длительности импульса менее 10 пс, чем для более длинных импульсов. В короткоимпульсном режиме интенсивность соответствует электронам для пробоя через фотоионизацию, и эти электроны вызывают лавину. Действительно, по мере достижения фемтосекундного режима, разрушительность приближается к пределу, в котором производится высокая плотность электронов (плазменная критическая плотность), чтобы вызвать повреждение. Сильная нелинейная зависимость скорости фотонов от интенсивности приводит к тому, что порог становится все более четко определенным для более короткого импульса.

Рисунок 2 - Процесс возбуждения электронов во времени.

Примеры стендов контроля лучевой прочности оптических элементов:

В состав любой базовой установки для определения лучевой прочности оптических материалов входит источник излучения (лазер), средство измерения энергии (мощности) в лазерном пучке и блок формирования эквивалентной площади воздействия на испытуемом образце. Эквивалентная площадь воздействия () - это площадь лазерного пятна с равномерным распределением плотности энергии, равным максимальной плотности энергии в реальном пятне и содержащем такую же энергию. Как правило, при Гауссовом распределении  измеряют по уровню половины максимальной интенсивности излучения. Эквивалентная площадь воздействия может быть определена из пространственного распределения энергии излучения на испытуемом образце.

Существует много различных стендов, они могут отличаться источниками излучения, методиками измерения, системами позиционирования образца, системами наблюдения за разрушением оптического материала, степенью автоматизации и т.д.

1) Первый стенд предназначен для исследования порога лазерного разрушения различных прозрачных материалов с многослойными покрытиями в соответствии с методиками выполнения измерений S - на - 1 и R - на - 1.

Блок-схема обобщенной установки для измерения порога лазерного разрушения показана на рисунке 3.

Рисунок 3 - Блок-схема стандартной установки для измерения лучевой стойкости.

Выходное излучение из лазерной системы проходит через блок аттенюаторов и волновую пластину, которая контролирует состояние поляризации, и фокусируется специальной оптической системой фокусировки на исследуемом образце. Образец закреплён в системе позиционирования, разрешающей юстировку по пространственным и угловым координатам.

Также следует отделять часть выходного излучения при помощи светоделителя и направлять в модуль диагностики пучка, который позволяет определять его пространственные и временные характеристики, а также энергию импульса. Данный модуль должен быть оснащён необходимой аппаратурой для измерения двумерного пространственного распределения плотности энергии (импульсное излучение) или плотности мощности (непрерывное излучение). Пространственное разрешение модуля диагностики должно не превосходить 1,5 % диаметра пучка.

Факт оптического повреждения образца регистрируется в режиме реального времени системой регистрации лазерного разрушения. Для этого в системе регистрации могут использоваться любые подходящие методы, например, микроскопические, фотоакустические и фототермальные методы, а также допускается измерение уровня сигнала рассеянного излучения с использованием отдельного лазера.

2) Второй стенд создан для контроля лучевой прочности на основе Nd:YAG лазера, позволяющий работать в разных режимах: первая гармоника Nd:YAG лазера (1064 нм), вторая гармоника (532 нм), однопучковый канал, матричный канал на основе запатентованного в РФ устройства. На выходе лазера получен импульс с энергией до ≈ 0,7 Дж (статистический разброс менее 10 %) и длительностью ≈ 3 нс. При этом максимальная плотность энергии в матричном и однопучковом каналах на первой гармонике более 40 Дж/см2. Данные параметры позволяют использовать стенд контроля на лучевую прочность как для экспресс-методики определения порога разрушения оптических элементов, так и для сканирования целого образца по методике аналогичной ISO 1 - на - 1.

Обобщенная схема стенда контроля на лучевую прочность представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Обобщенная схема стенда контроля на лучевую прочность.

В задающем генераторе (ЗГ) формируется импульсы с энергией ≈ 20 мкДж, длительностью на полувысоте ≈ 25 нс, длиной волны 1064 нм, следующие с частотой до 100 Гц. Из серии импульсов ЗГ вырезается импульс определённой формы и длительности с требуемой частотой до 10 Гц.

Система вырезания импульса располагается непосредственно на выходе ЗГ, до пространственного фильтра (телескопа 1), осуществляющего согласование апертуры лазерного пучка, угловую селекцию излучения в дальней зоне (ДЗ) и формирующего гауссовый пространственный профиль пучка. Пространственные характеристики пучка после вырезания формируются диафрагмой Ø 1,5 мм, расположенной в ближней зоне и расширяющим телескопом кратностью 1:2 с нулевой селектирующей диафрагмой Ø 400 мкм, расположенной в дальней зоне. Для оптической развязки каскада усиления и ЗГ на выходе телескопа 1 установлен затвор Фарадея.

Усилительный тракт состоит из двух квантронов с активным элементом Ø 5 мм и с активным элементом Ø 10 мм, работающих в двухпроходном режиме. Такая конфигурация была выбрана по результатам исследований оптимальной схемы усиления.

Затворы Фарадея используются для оптической развязки ЗГ и усилителей. Затворы Поккельса обеспечивают отсутствие самовозбуждения в схеме усиления и формируют временной профиль усиливаемого импульса. По результатам проведенных исследований была выбрана конфигурация системы вырезания, позволяющая получить гладкую форму импульса с длительностью по полувысоте ≈ 3 - 10 нс при минимизации потерь энергии.

Через усилители Ø 5 мм проходит пучок диаметром ≈ 3 мм, затем пучок увеличивается до размера ≈ 6 - 7 мм. Усиленный лазерный пучок имеет диаметр ≈ 8 мм с распределением плотности энергии.

Используемая схема лазера позволяет получать импульс с энергией до ≈ 0,7 Дж (статистический разброс менее 10 %) и регулируемой длительностью ≈ 3 - 10 нс. При этом плотность энергии в матричном и однопучковом каналах на первой гармонике более 40 Дж/см². Данные параметры позволяют использовать стенд как для измерения порога, так и для определения вероятности разрушения оптических элементов.

3) Третий стенд представляет собой установку с наносекундной длительностью импульса излучения для исследования лучевой прочности оптических материалов и покрытий.

Обобщенная схема стенда контроля на лучевую прочность представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Обобщенная схема стенда контроля на лучевую прочность.

Установка построена по стандартной схеме, принятой для установок, действующих в наносекундном диапазоне длительностей импульса. Особенность разработки – возможность при использовании генератора малой мощности усилить энергию излучения (коэффициент усиления не менее 10 000) и сформировать на испытуемом образце эквивалентную зону воздействия с равномерным распределением плотности излучения в пятне с достаточно большими размерами – 5 × 5 мм.

В составе установки: задающий генератор, предусилитель, схемы формирования временного и пространственного профилей лазерного импульса и четырехкаскадный усилитель с выходной апертурой 45 мм. Из импульса задающего генератора длительностью 50 нс с помощью затвора Поккельса вырезали импульс длительностью 1 нс. Для исключения амплитудных и фазовых искажений волнового фронта пучка из выходного пучка диаметром 37 мм диафрагмой выделяли центральную зону диаметром 2,5 - 15 мм. Далее после ослабления излучения его фокусировали на исследуемом объекте с помощью длиннофокусной линзы. Диаметр пятна при этом составлял около 1 мм.