Метрологическое обеспечение контроля лучевой прочности оптических материалов

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОНТРОЛЯ ЛУЧЕВОЙ ПРОЧНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Для обеспечения метрологических вопросов контроля лучевой прочности оптических материалов обобщены и систематизированы результаты работ многих авторов и выданы рекомендации по их использованию.

Оценка лучевой прочности оптических материалов включает в себя знание параметров воздействующего излучения и обеспечение стабильности работы лазерного источника. К таким параметрам следует отнести: длительность, форму и энергию импульса, длину волны, временное и пространственное распределение излучения, форму волнового фронта, расходимость, частоту следования импульсов, тип поляризации, направление и угол падения излучения.

Для метрологического обеспечения процесса контроля лучевой прочности необходимо выбрать способ измерения параметров воздействующего излучения, критерий разрушения, способ измерения эквивалентной площади воздействия, эталон лучевой прочности при относительных измерениях.

Момент начала необратимых изменений свойств диэлектрика при лазерном воздействии фиксируется разными авторами способами, отличающимися по чувствительности. Это наблюдение зоны воздействия в обычный (светлое, темное поле) или растровый электронный микроскоп; фиксация плазменного факела визуально или фотоэлектрически; измерение характеристик отраженного, рассеянного или прошедшего силового или контрольного светового пучка; фотоакустического сигнала. Любому из перечисленных способов регистрации свойственно статистическое распределение результатов измерений. Такие же вероятностные оценки необходимы при определении величины порога разрушения (нестабильность во времени и пространстве излучения лазерного источника). Процессы образования макроразрушения также подчиняются вероятностным законам [1] (например, масштабный, временной и температурный факторы). Вследствие всех этих причин истинное значение лучевой прочности зависит от величины области взаимодействия, длительности импульса и температуры.

Для всех изученных оптических материалов зависимость вероятности появления разрушения от плотности мощности (энергетической освещенности) можно получить, основываясь на статистической природе пороговых значений лазерного повреждения (Ер) в виде экспоненциальной функции типа: Р=1-ехр(-к Ер), где к - постоянная [2]. Например, для поверхности стекла марки К8 (рис.1) такая зависимость [3] позволяет определить порог разрушения с вероятностью 0,5.

В одной из первых работ по временной и размерной зависимостям [4] авторы приводят простую формулу для их связи с порогом разрушения Нр (Дж/см)2:

где у и т - коэффициенты, определяемые природой материала и качеством обработки поверхности; т0,5 - длительность лазерного импульса на уровне 0,5 от максимальной интенсивности; ёв - диаметр зоны лазерного воздействия. Естественно, что у с увеличением ёв не будет зависеть от длительности импульса (рис. 2). Аналогичная связь описана авторами работы [5].

Э.С. Путилин, С.Ф. Старовойтов

Введение

Основные результаты

Р 1,0

0,5

'^Вт/см2108

Рис.1. Зависимость вероятности пробоя от плотности потока на поверхности образца

из стекла К8.

о

У

1000

500 .

" 2 в 132 154

182

296

340 —и~

132 154 -<—

340

J_

_1_1_и

10"

10"

10"

т,с

Нр • ат

Рис.2. Зависимость у =—г- от длительности импульса для полированной поверх-

5

ности сапфира (светлые кружки) (т=1,35) и стекла К8 (черные кружки) (т=3,4). Около точек указаны диаметры облучаемого участка в мкм.

Бужинский и Поздняков предложили [6] эмпирическую формулу для связи порогов разрушения при различных длительностях и одинаковой площади воздействия:

Ер = Ер

( т >

Чт2 У

1/2

На рис.3 в двойном логарифмическом масштабе представлена эта зависимость для поверхности стекла К8 (^=1,06мкм). Здесь же проставлены значения лучевой прочности, полученные другими авторами. Линейную зависимость 1£Ер=^-к1§т0,5 можно преобразовать к виду ЕртК 5 = с где с - коэффициент, определяемый материалом вещества, к - постоянная. Тогда корреляционная зависимость для стекла марки К8 есть:

0

1

0

1§Ер= 4,8-О,6^тО;5 На рис.3 для сравнения приведены также аналогичные зависимости для полупроводника ОяЛб [7] (^^Е^ЗД-О^^т^) и пленки А1 толщиной 1000 А.

Рис.3. Временная зависимость

Последняя получена нами при ёв=1ООмкм (lg£p=2,8-О,6lgтО,5). Этот рисунок хорошо подтверждает предположение о едином механизме начала разрушения для разных веществ при различных длительностях лазерного воздействия [6]. Для однослойных и многослойных диэлектрических покрытий (рис.4) временные зависимости носят тот же характер (например, для пленки БЮг на кварце (1^р=4,1-0,6^10,5).

Вт/см

9

1 - 8102

2 - 2г02

3 - НЮ2

11

9

7

5

3

1 -^То,5, с

Рис.4. Временная зависимость (А=1,06мкм, Ь>0,5мм) лучевой прочности пленок 1, 2, 3 на кварце [10] и значения лучевой прочности для зеркал.

N-1

А - 2ЗП(ВН)п В - (71-02-8102) [12]; • - NП(НВ) 2 2Н(2г02 - Б102) [РТМ]; V - 13П(ВН)6В(гп8-МазА!Рб) [11]; х - 14П(ВН)6В2И(Т102-8102) [13];  -15П(ВН)7В(ТЮ2-8Ю2) [14]

Экспериментальные результаты многих авторов [12, 15, 16] указывают на обязательный учет размерной зависимости при проведении измерений лучевой прочности

7

5

оптических стекол и диэлектрических покрытий. Порог разрушения практически не зависит от диаметра зоны воздействия, пока он остается сравнительно большим (>0,3-0,5 мм) и в центральную зону облучаемого участка с вероятностью более 0,5 попадает хотя бы одна «надкритическая» неоднородность (ПН). При уменьшении диаметра зоны воздействия (примерно на порядок) наблюдается значительное повышение порога разрушения за счет снижения вероятности попадания ПН до 0,1 и менее.

Вт/см2 17

10

9

8

22

22 '

0

Р

21

20

-6-

20

19

0,5

1,0

1,5

2,0

15,5 ёв,мм

Рис.5. Размерная зависимость (А=1,06 мкм, т0,5 = 40 нс) прочности поверхности стекла К8: • - ГШП, А - ОШП, ОаЛэ: о - ОШП + химическое травление [7]. Возле значений порогов указан номер литературного источника.

1§ЕР,

9,0

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5 ёв, мм

Рис.6. Аналогичные зависимости для четвертьволновых пленок на стекле К8 (ОШП): о - ЭЮ2 ,  - ТЮ2 [18] и для зеркал (ГШП): А - 23П(ВН)пВ (7г02-8Ю2) [12].

7

На рис. 5 представлены размерные зависимости для поверхности стекла марки К8, обработанной методами обычной и глубокой шлифовки и полировки. Они построены нами по экспериментальным данным многих авторов, которые нельзя было сравнить, и скорректированы с учетом временной зависимости к условиям контроля лучевой прочности (Р), предусмотренным РТМ 3-1205-79 Детали оптические для твердотельных ла-

зеров (т0,5=40 нс). При этом наблюдается хорошее совпадение с теоретической кривой

вида Ер =

((Г ) + const • df

1/2

. Последняя получена в работе [7] из теории тепловой

неустойчивости для GaAs, из которой вытекает и размерная зависимость.

Схожесть этих кривых, на наш взгляд, является хорошим подтверждением правомерности «полупроводниковой» модели разрушения. Необходимо отметить, что значение лучевой прочности стекла К8 при d,5=53 мкм, которое авторы [17] приводят как максимальное (получено при оптимальном времени обработки), следует отнести скорее за счет именно размерной зависимости.

На рис. 6 для примера изображены аналогичные зависимости для однослойных четвертьволновых пленок из SiO2 и TiO2 на стекле К8 (ОШП, т0,5 =12нс) [18] и многослойных зеркал из ZrO2-SiO2 (ГШП, т0,5 =1нс) [12].

Заключение

Таким образом, при проведении измерений лучевой прочности оптических материалов с целью сравнения с данными других авторов необходимо их корректировать с использованием временной зависимости и, во избежание построения размерной зависимости, работать с большими зонами воздействия (ёв >0,5 мм).

Литература

1. Артемьев В.В., Бонч-Бруевич А.М., Моричев И.Е., Иванова Н.Л., Виноградский А.Г. Статистика микронеоднородностей прозрачных сред и их лучевой прочности. //Журнал технической физики. 1977. Т.47. Вып.1. С.183-187.

2. Ходаков Г.С., Цеснек Л.С. Разрушение прозрачных диэлектриков лазерным излучением. // Оптико-механическая промышленность. 1976. №9. С.55-56.

3. Алешин И.В., Бонч-Бруевич А.М., Имас Я.А., Комолов В.Л. Вероятность оптического пробоя поверхности стекла. //Журнал технической физики. 1975. Т.45. Вып.6. С.1264-1267.

4. Нестеров Л.А., Поплавский А.А., Ферсман И.А., Хазов Л.Д. Зависимость порога разрушения прозрачного диэлектрика от длительности импульса лазера. //Журнал технической физики. 1970. Т.40. Вып.3. С.651-655.

5. Milam D., Bradbury R.A., Bass M., Laser damage threshold for dielectric coatings as determined by inclusions. // Applied Phys. Lett. 1973. V.23. №12. Р.654-657.

6. Бужинский И.М., Поздняков А.Е. О связи между порогами разрушения стекла лазерными импульсами различной длительности // Квантовая электроника. 1975. Т.2. №7. С.1550-1552.

7. Бумялис А.-В.И. Оптический пробой арсенида галлия и твердых полупроводниковых растворов AlxGa1.xAs. // Кандидатская диссертация. Вильнюс, Ин-т физики АН Лит. ССР, 1986. 156 с.

8. ЖдановаЛ.А., Иванов В.Б. и др. Интерференционные поляризаторы для лазеров. // Оптико-механическая промышленность. 1983. №5. С.36-38.

9. Альтшулер Г.Б., Ермолаев В.С., Путилин Э.С., Старовойтов С.Ф. Обнаружение эффекта низкопорогового разрушения тонких алюминиевых пленок лазерными импульсами. // Письма в журнал технической физики. 1987. Т.13. Вып.3. С.152-155.

10. Азин В.А., Крыжановский Б.П., Поплавский А.А., Таганова В.А., Туровская Т.С. Влияние поглощающей примеси на лучевую прочность окисных слоев слоев. // Оптико-механическая промышленность. 1982. №12. С.14-16.

11. Большанин А.Ф., Путилин Э.С., Старовойтов С.Ф. и др.. Исследование световой прочности оптических покрытий. // Отчет ЛИТМО Г.Р. У88869. Л., 1984, с.93.

12. Алексеев В.Н., Свечников М.Б., Чернов В.Н. Разрушение многослойных диэлектрических покрытий лазерным импульсом наносекундной длительности. // Квантовая электроника. 1985. Т.12. №4. С.729-739.

13. Зверев Г.М., Колодный Г.Я., Порядин Ю.Д. О стойкости интерференционных зеркал к действию лазерного излучения. // Квантовая электроника. 1978. Т.5. №1. С.44-49.

14. Азин В.А., Иванов А.И., Поплавский А.А., Таганова В.А., Кузнецов А.Я. Исследование равномерности лучевой прочности химических покрытий. // Оптико-механическая промышленность. 1973. №9. С.6-8.

15. Алешин И.В., Анисимов С.И., Бонч-Бруевич А.М., Имас Я.А., Комолов В.Л. Оптический пробой прозрачных сред, содержащих микронеоднородности. //Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1976. Т.7О. Вып.4. С.1214-1223.

16. Алешин И.В., Бонч-Бруевич А.М., Зинченко В.И., Имас Я.А., Комолов В.Л. Влияние на развитие оптического пробоя прозрачных диэлектриков распределения поглощающих неоднородностей в пределах облучаемого пятна. //Журнал технической физики. 1973. Т.ХШ. Вып.12. С.2625-2629.

17. Альтшулер В.М., Бабалжан Е.И. и др. Об оптимальном времени обработки поверхности стекла К8, отвечающем минимальной шероховатости и максимальной лучевой прочности. // Физика и химия обработки материалов. 1983. №6. С.74-76.

18. .Зверев Г.М., Колядин С. А., Левчук Е.А., Скворцов Л. А. Исследование процессов разрушения диэлектрических пленок под действием лазерного излучения. // Квантовая электроника. 1977. Т.4. №2. С.413-419.

19. Бужинский И.М., Поздняков А.Е. Ушаков С.А. Характер разрушений оптических поверхностей некоторых стекол при большой площади воздействия коротким световым импульсом. // Оптико-механическая промышленность. 1975. №2. С.46-49.

20. Красноцветова И.Е., Семенцов С.С., Тибилов С.П., Ферсман И. А., Хазов Л.Д. Связь между лазерной остаточной фотоэмиссией, качеством полировки и световой прочностью поверхности прозрачного диэлектрика. // Квантовая электроника. 1974. Т.1. №1. С.2О3-2О4.

21. Бонч-Бруевич А.М., Алешин И.В., В.И., Имас Я. А., Павщуков А.В. Поглощение излучения ОКГ в приповерхностном слое оптического стекла. //Журнал технической физики. 1971. Т.41. Вып.3. С.617-62О.

22. Кортов В. С., Слесарев А.И., Шифрин В.П., Поплавский А. А. О корреляции между лучевой прочностью и параметрами экзоэлектронной эмиссии стекол К8 и ГЛС1. // Оптико-механическая промышленность. 1981. №4. С.49-51.

23. Ферсман И. А., Хазов Л.Д. Фотоэлектрические явления, возникающие на поверхности прозрачного диэлектрика при лазерном облучении. // Квантовая электроника. 1971. №2.