Масс-зарядовые спектры многозарядных ионов и морфология разрушения оптических материалов, образованные при многократном воздействии излучения лазера
Научно-исследовательский институт прикладной физики Национального университета Узбекистана, 100174 Ташкент, Узбекистан
Масс-зарядовые спектры многозарядных ионов и морфология разрушения оптических материалов, образованные при многократном воздействии излучения лазера
М.Р. Бедилов, Р.М. Бедилов, М.С. Сабитов, Р. Халилов, И.Ю. Давлетов, Г.О. Жуманазаров
Известно, что стойкость оптических материалов к мощному лазерному излучению в режиме многократного воздействия (благодаря эффекту накопления) во многих случаях значительно ниже, чем при однократном облучении. Однако этот факт до последнего времени систематически не исследовался, и в основном, изучались закономерности лазерного разрушения прозрачных сред в режиме однократных вспышек. К настоящему времени эффект накопления обнаружен и исследован в силикатных стеклах, щелочно-галоидных и сегнетоэлектрических кристаллах, а также в полимерах методами электронной и ИК-спектроскопии и лазерной калориметрии. В литературе обсуждались различные механизмы эффекта накопления, однако в целом природа этого эффекта недостаточно изучена и не установлены доминирующие механизмы.
Настоящая работа посвящена изучению масс-зарядовых спектров многозарядных ионов и морфологии разрушения оптических материалов, при многократном облучении их лучом лазера. Исследования проводились методами лазерной масс-спектрометрии и оптической микроскопии [1, 2], так как процесс лазерного разрушения твердого тела и образование многозарядной плазмы взаимосвязаны. Это дает возможность рассмотреть влияние эффекта накопления на морфологию разрушения и на ионизационный состав плазмы в зависимости от плотности мощности, и числа импульсов излучения лазера. В опытах было использовано силикатное стекло марки ГЛС. спектр многозарядный ион
Совместный анализ результатов микроскопических и масс-спектрометрических исследований в зависимости от плотности мощности (q = 108 - 1011 Вт/см2) и числа импульсов излучения лазера, позволил установить эффект накопления и корреляцию между степенью разрушения и зарядовыми характеристиками образующихся в плазме ионов. По масс-зарядовым спектрам определен состав плазмы (мишени) и выявлены поглощающие примеси, ответственные за начало развития разрушения. Однако с наступлением разрушения, энергия излучения начинает, в основном, поглощаться в сопровождающей разрушению плазме, в результате чего последняя сильно нагревается. При этом плазма как эффективный источник излучения и тепла, сильно воздействует на поверхность стекла и тем самым развивает разрушение.
Морфология разрушения стекла лучом лазера (около qr = 7 ГВт/см2), имеет вид микрократера, представляющего собой плоский распыленный слой с оплавленными краями. Внутри кратера (q = qr) наблюдаются отдельные, мелкие, в виде углублений, повреждения различных размеров. С ростом количество импульсов излучения лазера (или q лазера) наряду с увеличением диаметра кратера, нарастает размеры этих повреждений, доходящие при 10 выстрелов излучения на одно и то же место мишени (или увеличения q до 100 ГВт/см2) до десятков микрометров. Появление этих микроповреждений связываем с локальными взрывами отдельных изолированных друг от друга участков поверхности малого размера, в которых существует большое скопление поглощающих дефектов, нарушающих структуру стекла (примесные включения, оптические микронеоднородности и т.д.). Тепловой взрыв в этих микроучастках сопровождается выбросом вещества.
Анализ полученных масс-зарядовых спектров плазмы показал, что в ее составе, наряду с ионами матричных центров стекла (Li, O, Na, Si, K) присутствуют ионы примесей H, Be, B, C, Fe, Cu, Ru, Cd и Te, входящих в состав рассматриваемого стекла. Появление в масс-спектрах пиков, принадлежащих ионам тех или иных примесей, определяется уровнем q лазера и числом импульсов излучения лазера (эффектом накопления). Например, при q = qr на масс-спектрах плазмы, наряду с ионными пиками матричных элементов стекла, отчетливо выделяются ионные пики некоторых примесей Be, B, C, Fe. При увеличении числа выстрелов (или q лазера) на масс-спектрах появляются ионные пики других примесей не обнаруживаемых при однократном воздействии ими q = qr лазера. Следовательно, именно примеси Be1+, B1+, C1+ - С2+, Fe1+ ответственны за начало развития процесса лазерного разрушения стекла. Установлен эффект накопления в случае оптического материала с увеличением количество импульсов лазера, который увеличивает объем разрушения и количество испаряемого вещества, уменьшает порог разрушения, лучевую стойкость и ионизационный состав плазмы.
Литература
1. Бедилов М.Р., Хаитбаев К.. ПТЭ 1996, № 6, с. 139.
. Бедилов М.Р., Арипджанова Х.А., Сабитов М.С., Р.М. Бедилов, Поверхность, 2005, № 9, сс. 99-103.