ВЛИЯНИЕ ТРЕЩИНЫ И ДЕФЕКТНОГО МАТЕРИАЛА В ЕЕ ОКРЕСТНОСТИ НА ЛУЧЕВУЮ ПРОЧНОСТЬ ПРОЗРАЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ÓÄÊ 531.21
ÂËÈßÍÈÅ ÒÐÅÙÈÍÛ È ÄÅÔÅÊÒÍÎÃÎ ÌÀÒÅÐÈÀËÀ  ÅÅ ÎÊÐÅÑÒÍÎÑÒÈ ÍÀ ËÓ×ÅÂÓÞ ÏÐÎ×ÍÎÑÒÜ ÏÐÎÇÐÀ×ÍÛÕ ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂ
© 2008 ã. È. Â. Óøàêîâ, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê. Òàìáîâñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò èì. Ã.Ð. Äåðæàâèíà, ã. Òàìáîâ E-mail: ushakoviv@mail.ru
Ðàáîòà ïîñâÿùåíà èçó÷åíèþ âëèÿíèÿ òðåùèíû íà ëó÷åâóþ ïðî÷íîñòü êðèñòàëëîâ, ïîäâåðãàåìûõ âîçäåéñòâèþ ìîùíîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ. Âûÿâëåíû ìåõàíèçìû âîçäåéñòâèÿ òðåùèí íà ëó÷åâóþ ïðî÷íîñòü îáðàçöîâ. Ðàññìîòðåíà çàâèñèìîñòü ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè îò âðåìåíè ñóùåñòâîâàíèÿ òðåùèíû. Îáñóæäåíà ìåòîäèêà ïîâûøåíèÿ ëó÷åâîé è ìåõàíè÷åñêîé ïðî÷íîñòè ïðîçðà÷íîãî ìàòåðèàëà.
Êîäû OCIS: 160.0160, 350.3390.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 11.07.2007.
Ðàçðóøåíèå îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ëàçåðíûõ ñèñòåì ÿâëÿåòñÿ ñåðüåçíîé ïðîáëåìîé, îãðàíè÷èâàþùåé ñðîê èõ ñëóæáû è ïðåäåëüíóþ ìîùíîñòü.  ýòîé ñâÿçè èññëåäîâàíèå âëèÿíèÿ äåôåêòîâ íà îïòè÷åñêóþ è ìåõàíè÷åñêóþ ïðî÷íîñòü ÿâëÿåòñÿ àêòóàëüíîé çàäà÷åé. Îäíèì èç äåôåêòîâ, ïðèâîäÿùèõ ê ðàçðóøåíèþ îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, ÿâëÿåòñÿ òðåùèíà. Ñîñòîÿíèå ìàòåðèàëà âáëèçè òðåùèíû çàâèñèò îò âðåìåíè åå ñóùåñòâîâàíèÿ, óñëîâèé îêðóæàþùåé ñðåäû, õàðàêòåðèñòèê ìàòåðèàëà è äðóãèõ ôàêòîðîâ. Ðîñò òðåùèí â äèýëåêòðèêå ñîïðîâîæäàåòñÿ ýìèññèåé ýëåêòðîíîâ, ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèåé, âîçíèêíîâåíèåì îáëàñòåé íàïðÿæåííîãî ñîñòîÿíèÿ [1–4]. Âîçäåéñòâèå òðåùèíîâàòîãî ñëîÿ íà îïòè÷åñêóþ ïðî÷íîñòü ìàòåðèàëà ïîäðîáíî ðàññìîòðåíî â ðÿäå ðàáîò [5–8]. Îäíàêî òåõíîëîãèÿ ïîëó÷åíèÿ òðåùèíîâàòîãî ñëîÿ òàêîâà, ÷òî, ïîìèìî òðåùèí, ïîâåðõíîñòíûé ñëîé ñîäåðæèò ìèêðîíåðîâíîñòè ïîâåðõíîñòè, èíîðîäíûå âêëþ÷åíèÿ, ñòðóêòóðíûå äåôåêòû è ïð. Òàêèì îáðàçîì, ôèçè÷åñêèå ïðîöåññû, ïðèâîäÿùèå ê îïòè÷åñêîìó ïðîáîþ íà òðåùèíå, íå îòäåëåíû îò äðóãèõ ìåõàíèçìîâ èíèöèèðîâàíèÿ îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ.
Öåëè ðàáîòû: èññëåäîâàíèå îñîáåííîñòåé îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ íà òðåùèíå, îïðåäåëåíèå âðåìåííîé çàâèñèìîñòè ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè ìàòåðèàëà ñ òðåùèíîé, îáñóæäåíèå ïðèíöèïîâ ïîâûøåíèÿ ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè çà ñ÷åò âûáîðî÷íîãî ìîäèôèöèðîâàíèÿ ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì äåôåêòíûõ îáëàñòåé ìàòåðèàëà.
Ìåòîäèêà ïðîâåäåíèÿ ýêñïåðèìåíòà
Èññëåäîâàíèÿ ïðîâîäèëè íà ìîíîêðèñòàëëàõ NaCl, KCl, LiF, CaCO3. Èñïîëüçîâàëè îáðàçöû ñ ñîäåðæàíèåì ïðèìåñåé îò 10–5 äî 10–2 âåñ.% (ëåãèðîâàíû Cr3+).
74
Äëÿ âûÿâëåíèÿ âëèÿíèÿ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ íà äåôåêòíóþ ñòðóêòóðó â îêðåñòíîñòè òðåùèíû èç áîëüøîãî ìîíîêðèñòàëëà âûêàëûâàëè çàãîòîâêè ðàçìåðîì 15×30×16 ìì. Êàæäóþ çàãîòîâêó ïî ïëîñêîñòè ñïàéíîñòè (010) ðàñêàëûâàëè íà äâå ðàâíûå ÷àñòè ñ ðàçìåðàìè 15×30×8 ìì.  îäíó èç íèõ â ïëîñêîñòè (100) ââîäèëè ìàêðîñêîïè÷åñêóþ òðåùèíó äëèíîé ïðèìåðíî 6 ìì, âòîðóþ îñòàâëÿëè áåç èçìåíåíèÿ. Îðèåíòàöèþ âõîäíîé ïîâåðõíîñòè îáðàçöà (100) ê íàïðàâëåíèþ ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ ìåíÿëè îò ïåðïåíäèêóëÿðíîé äî ïàðàëëåëüíîé ñ øàãîì 5°. Ïåðâóþ ÷àñòü – êîíòðîëüíûé îáðàçåö, äëÿ âûÿâëåíèÿ äèñëîêàöèîííîé ñòðóêòóðû ïîäâåðãàëè õèìè÷åñêîìó òðàâëåíèþ; âòîðóþ ÷àñòü ñíà÷àëà îáëó÷àëè èìïóëüñàìè ëàçåðà, çàòåì òàêæå ïîäâåðãàëè òðàâëåíèþ. Ïîñëå ýòîãî ñðàâíèâàëè äèñëîêàöèîííóþ ñòðóêòóðó è ìåñòî ðàñïîëîæåíèÿ âåðøèíû òðåùèíû â êîíòðîëüíîì è îáëó÷åííîì îáðàçöàõ.
Èñïîëüçîâàëè ÎÊà ÃÎÑ 1001 (äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ 1060 íì, äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà τ ≈ 1 ìñ). Ýíåðãèþ èìïóëüñîâ âàðüèðîâàëè îò 40 äî 500 Äæ, à ïëîùàäü îáëó÷àåìîé ïîâåðõíîñòè îò 12 äî 100 ìì2. Êðèñòàëëû îáëó÷àëè èìïóëüñàìè, íà÷èíàÿ ñ E = 0,7Eth (Eth – ïîðîãîâàÿ ýíåðãèÿ) è óâåëè÷èâàëè ýíåðãèþ êàæäîãî ñëåäóþùåãî èìïóëüñà íà 10% äî ðàçðóøåíèÿ îáðàçöà. Ïîäðîáíûå õàðàêòåðèñòèêè èçëó÷åíèÿ ïðèâåäåíû â [9].
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû è îáñóæäåíèå
1. Ïðè îáëó÷åíèè êðèñòàëëîâ êàëüöèòà ñ êðóïíûìè ïîãëîùàþùèìè âêëþ÷åíèÿìè (ðèñ. 1) èìïóëüñàìè èçëó÷åíèÿ äîïîðîãîâîé èíòåíñèâíîñòè â îáúåìå îáðàçöîâ íà ìåñòå ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèé âîçíèêàëè îáëàñòè ïîâðåæäåíèÿ ñ ðàçìåðàìè äî 1 ìì. Óâåëè÷åíèå ýíåðãèè èìïóëüñîâ ïðèâîäè-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 2, 2008
200 ìêì
Ðèñ. 1. Äâà êðóïíûõ ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèÿ íåïðàâèëüíîé ôîðìû, ñîñòîÿùèå èç íèòåâèäíûõ ïðîæèëîê, ðàñïîëîæåííûå â îáúåìå CaCO3. Èõ òîëùèíà â ðàçëè÷íûõ òî÷êàõ 0,02–0,04 ìì. Ïîìèìî ïîêàçàííûõ íà ðèñóíêå ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèé, êðèñòàëë ñîäåðæèò âêëþ÷åíèÿ ñ ðàçìåðàìè îò 10 äî 25 ìêì.
10 ìì
Ðèñ. 2. Îáúåäèíåíèå ëàçåðíî-èíäóöèðîâàííîé òðåùèíû ñ èñõîäíîé (ïîñëåäíÿÿ ïîêàçàíà ñòðåëêîé). Ïîâåðõíîñòü êðèñòàëëà CaCO3 – (010). Ðàçðóøåíèå êðèñòàëëà âñëåäñòâèå îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ íà äâóõ êðóïíûõ ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèÿõ. Îäíî èç ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèé íàõîäèëîñü âáëèçè ïîâåðõíîñòè èñõîäíîé ìàêðîñêîïè÷åñêîé òðåùèíû. Ïîëîæåíèå âåðøèíû èñõîäíîé òðåùèíû (äî îáëó÷åíèÿ) ïîêàçàíî ñòðåëêîé.
ðàçöîâ ñ èñõîäíîé ìàêðîñêîïè÷åñêîé òðåùèíîé. Ïðè÷èíîé ïîäðàñòàíèÿ èñõîäíîé ìàêðîñêîïè÷åñêîé òðåùèíû ìîãóò ÿâëÿòüñÿ ìåõàíè÷åñêèå íàïðÿæåíèÿ, âîçíèêàþùèå â êðèñòàëëå ïðè ðàñïðîñòðàíåíèè â íåì ìîùíîãî èìïóëüñà ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ (ðèñ. 3á, 3â); òåðìè÷åñêèå íàïðÿæåíèÿ îò íàãðåòûõ ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèé è ìåõàíè÷åñêèå íàïðÿæåíèÿ, ñîïðîâîæäàþùèå ðîñò ëàçåðíîé òðåùèíû (ðèñ. 3ã); âçàèìîäåéñòâèå ñ ëàçåðíî-èíäóöèðîâàííîé òðåùèíîé (ðèñ. 3ä–3ç).
2. Íà îïòè÷åñêóþ ïðî÷íîñòü òâåðäûõ ïðîçðà÷íûõ ìàòåðèàëîâ âëèÿåò âðåìÿ ñóùåñòâîâàíèÿ òðåùèí.
Ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè óñòàíîâëåíî, ÷òî ïðèìåðíî â ïîëîâèíå òâåðäûõ ïðîçðà÷íûõ òåë ðîñò òðåùèí ñîïðîâîæäàåòñÿ ýìèññèåé ýëåêòðîíîâ. Ñíèæåíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè, âûçâàííîå ñâîáîäíûìè ýëåêòðîíàìè, íàèáîëåå îò÷åòëèâî ïðîÿâëÿåòñÿ íà ìàòåðèàëàõ, èìåþùèõ âûñîêèé ïîðîã îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ. Äëÿ òàêèõ ìàòåðèàëîâ ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû èãðàþò ðîëü “çàòðàâî÷íûõ ýëåêòðîíîâ”, èíèöèèðóþùèõ ðàçâèòèå ýëåêòðîííîé ëàâèíû.
 ðàáîòàõ [6, 10] ïîêàçàíî, ÷òî ïîäñâåòêà óëüòðàôèîëåòîâûì ñâåòîì, ïðèâîäÿùàÿ ê ïîÿâëåíèþ ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ, ìîæåò âûçûâàòü çíà÷èòåëüíîå ñíèæåíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè ñ q* ≈ 1011 Âò/ñì2 äî q* ≈ 2×1010 Âò/ñì2 (λ = 10,6 ìêì, dê ≈ 23 è 220 ìêì). Ïðè÷èíîé îáðàçîâàíèÿ ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ ìîãóò áûòü ïëàñòè÷åñêàÿ äåôîðìàöèÿ è ýìèññèÿ ýëåêòðîíîâ ðàñòóùåé òðåùèíîé. Ïîðîã îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ äåôîðìèðóåìûõ êðèñòàëëîâ ïðèìåðíî â äâà ðàçà íèæå ïîðîãà îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ ýòèõ æå êðèñòàëëîâ, íå ïîäâåðãàåìûõ äåôîðìàöèè
(à) (á) (â)
(ã)
ëî ê ðàçðóøåíèþ îáðàçöîâ çà ñ÷åò ïîÿâëåíèÿ íà ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèÿõ ìàãèñòðàëüíûõ òðåùèí (ðèñ. 2). Ùåëî÷íî-ãàëîèäíûå êðèñòàëëû (ÙÃÊ), ëåãèðîâàííûå Cr3+ îò 10–2 äî 10–3 âåñ.%, ðàçðóøàëèñü âñëåäñòâèå âîçíèêíîâåíèÿ íà ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèÿõ ìàãèñòðàëüíûõ ëàçåðíî-èíäóöèðîâàííûõ òðåùèí.
Íàáëþäàëèñü ñëó÷àè, êîãäà â îòñóòñòâèå êðóïíûõ î÷àãîâ ðàçðóøåíèÿ èñõîäíàÿ òðåùèíà ïðîðàñòàëà, ñòàíîâÿñü ìàãèñòðàëüíîé. Âåðîÿòíîñòü àêòèâàöèè ðîñòà èñõîäíîé òðåùèíû ïðè ëàçåðíî-èíäóöèðîâàííîì ðàçðóøåíèè îáðàçöà ñîñòàâëÿåò 70–80%.
Íà ðèñ. 3 ïðèâåäåíû ñõåìû õàðàêòåðíûõ ìàêðîêàðòèí ëàçåðíî-èíäóöèðîâàííîãî ðàçðóøåíèÿ îá-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 2, 2008
(ä) (å) (æ) (ç)
Ðèñ. 3. Ìàêðîêàðòèíû ëàçåðíî-èíäóöèðîâàííîãî ðàçðóøåíèÿ îáðàçöà ñ èñõîäíîé ìàêðîòðåùèíîé. a – èñõîäíûé îáðàçåö ñ ìàêðîñêîïè÷åñêîé òðåùèíîé, á, â, ã, ä, å, æ, ç – ðàçðóøåíèÿ îáðàçöà ïîñëå îáëó÷åíèÿ (ïîÿñíåíèÿ â òåêñòå).
75
[7] (dôîê = 0,25 ìì, λ = 10,6 ìêì, ñíèæåíèå q* ñ 170 ± 20 ÌÂò/ñì2 äî 90 ÌÂò/ñì2). Ñâèäåòåëüñòâîì ðîëè ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ â èíèöèèðîâàíèè îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ â òâåðäûõ ïðîçðà÷íûõ ìàòåðèàëàõ ÿâëÿåòñÿ ýêñïåðèìåíòàëüíî ôèêñèðóåìûé îïòè÷åñêèé ïðîáîé ïðè ðàñïðîñòðàíåíèè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ âäîëü ïîâåðõíîñòè äåôîðìèðóåìîãî êðèñòàëëà [7] (dôîê = 0,5 ìì, λ = 10,6 ìêì, ñíèæåíèå q* ñ 170 ± 20 ÌÂò/ñì2 äî 90 ÌÂò/ñì2). Òàêèì îáðàçîì, â ïðîöåññå ðîñòà òðåùèí ïðåäåëüíàÿ ëó÷åâàÿ ïðî÷íîñòü îïðåäåëÿåòñÿ íàëè÷èåì ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ, îáðàçóþùèõñÿ íà ïîâåðõíîñòÿõ òðåùèí.
Íàèáîëüøàÿ äèíàìè÷åñêàÿ ïëîòíîñòü çàðÿäîâ íà ïîâåðõíîñòÿõ ðàñòóùåé òðåùèíû ìîæåò áûòü íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ áîëüøå âåëè÷èíû îñòàòî÷íûõ çàðÿäîâ è äîñòèãàòü 103–104 ìêÊë/ì2, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò êîíöåíòðàöèè ýëåêòðîíîâ 1011–1012 ñì–2 [11]. Ýëåêòðè÷åñêèå ðàçðÿäû ìåæäó áåðåãàìè ðàñòóùèõ òðåùèí îòìå÷åíû â ïîëóïðîâîäíèêàõ [12], ùåëî÷íî-ãàëîèäíûõ êðèñòàëëàõ [13, 14], ïüåçî-, ïèðî-, ôåððî-, ñåãíåòîýëåêòðèêàõ [4].  òî æå âðåìÿ ñíèæåíèå îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ, âûçâàííîå ýìèññèåé ýëåêòðîíîâ, ìîæåò íàáëþäàòüñÿ íå òîëüêî ïðè îáðàçîâàíèè òðåùèí, íî è ïîä äåéñòâèåì ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè. Èíòåíñèâíàÿ ýìèññèÿ ýëåêòðîíîâ, âñïûøêè ëþìèíåñöåíöèè íàáëþäàþòñÿ ïðè äåôîðìèðîâàíèè ìàòåðèàëà [15].
Ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû (îáðàçîâàâøèåñÿ âñëåäñòâèå ðîñòà òðåùèíû è ñîïóòñòâóþùåé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè) ìîãóò ñîõðàíÿòüñÿ â òå÷åíèå ÷àñîâ è äàæå äíåé [16]. Îäíàêî äëÿ áîëüøèíñòâà ïðîçðà÷íûõ ìàòåðèàëîâ, íàõîäÿùèõñÿ â íîðìàëüíûõ óñëîâèÿõ, ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû ìîãóò çàìåòíî âëèÿòü íà ëó÷åâóþ ïðî÷íîñòü ìàòåðèàëà â òå÷åíèå t ≈ 100 ñ ïîñëå ïðåêðàùåíèÿ äåôîðìàöèè.
Âêëàä ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ â ñíèæåíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè ïðîçðà÷íîãî ìàòåðèàëà çàâèñèò îò îïòè÷åñêîãî ñîâåðøåíñòâà ìàòåðèàëà. ×åì âûøå ïîðîã îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ â îòñóòñòâèå ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ, òåì çíà÷èòåëüíåå ñíèæåíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè ïðè èõ ïîÿâëåíèè.
Äëÿ ìàòåðèàëîâ, èìåþùèõ ïîðîã îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ q* ≈ 1011 Âò/ñì2 è âûøå, ëó÷åâàÿ ïðî÷íîñòü çàìåòíî ñíèæàåòñÿ (äî 6 ðàç) ïðè ïîÿâëåíèè â çîíå îáëó÷åíèÿ “çàòðàâî÷íûõ ýëåêòðîíîâ” [6]. Íà ìàòåðèàëàõ c ïîðîãîì îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ ïîðÿäêà 106 Âò/ñì2 è íèæå, îáëó÷àåìûõ èçëó÷åíèåì äîïîðîãîâîé èíòåíñèâíîñòè, åäèíè÷íûå ýëåêòðîíû íå îêàæóò çàìåòíîãî âëèÿíèÿ íà ëó÷åâóþ ïðî÷íîñòü. Íà òàêèõ ìàòåðèàëàõ îïòè÷åñêèé ïðîáîé áóäåò èíèöèèðîâàòüñÿ çà ñ÷åò íàãðåâà ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèé, à ôîðìèðóþùèåñÿ òðåùèíû è ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû îêàçûâàþò âëèÿíèå íà ñëåäóþùèå ñòàäèè ðàçâèòèÿ îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ è ìåõàíè÷åñêîãî ðàçðóøåíèÿ.
76
Òàêèì îáðàçîì, â ïåðâûé ïåðèîä ñóùåñòâîâàíèÿ òðåùèíû äîìèíèðóþùèì ôàêòîðîì, îïðåäåëÿþùèì ïðåäåëüíîå çíà÷åíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè, ÿâëÿåòñÿ ýìèññèÿ ýëåêòðîíîâ, îáðàçóþùèõñÿ ïðè ðîñòå òðåùèíû è ñîïðîâîæäàþùåé åå ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè. Âðåìÿ, â òå÷åíèå êîòîðîãî ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû îêàçûâàþò âëèÿíèå íà ëó÷åâóþ ïðî÷íîñòü, çàâèñèò îò ñâîéñòâ ìàòåðèàëà è îêðóæàþùåé ñðåäû.
 äàííîé ðàáîòå îáðàçöû îáëó÷àëè ïðèìåðíî ÷åðåç 5 ìèí ïîñëå ââåäåíèÿ ìàêðîòðåùèíû, êîãäà ïðàêòè÷åñêè çàâåðøàþòñÿ ýìèññèÿ ýëåêòðîíîâ è ðåëàêñàöèÿ âûñîêèõ ìåõàíè÷åñêèõ íàïðÿæåíèé.  òî æå âðåìÿ ýôôåêò ñòàðåíèÿ ïîâåðõíîñòåé òðåùèíû íå ñêàçûâàëñÿ íà ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè [5]. Ýòîìó ïåðèîäó ñîîòâåòñòâóåò íàèáîëüøåå çíà÷åíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè, êîãäà âêëàä òðåùèíû â åå ñíèæåíèå ìèíèìàëåí è îáóñëîâëåí èíòåðôåðåíöèîííûìè ÿâëåíèÿìè.
 äàííîé ðàáîòå ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîêàçàíî âëèÿíèå îäíîé ìàêðîñêîïè÷åñêîé òðåùèíû íà êàðòèíó ðàñïðåäåëåíèÿ èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ. Âåðîÿòíîñòü ïîÿâëåíèÿ ïîâðåæäåíèÿ íà âûõîäíîé ïîâåðõíîñòè ïðîçðà÷íîãî ìàòåðèàëà âûøå, ÷åì íà âõîäíîé.  ðåçóëüòàòå íàëîæåíèÿ ñâåòà, ïàäàþùåãî è îòðàæåííîãî îò ïëîñêîñòè òðåùèíû, âîçìîæíî âîçíèêíîâåíèå èíòåðôåðåíöèîííîé êàðòèíû.  ìåñòàõ èíòåðôåðåíöèîííûõ ìàêñèìóìîâ èíèöèèðóåòñÿ îïòè÷åñêèé ïðîáîé, çàõâàòûâàþùèé çàòåì âñþ îáëó÷àåìóþ îáëàñòü.
Çîíà îáëó÷åíèÿ âûõîäíîé ïîâåðõíîñòè, â êîòîðîé âîçìîæíî èíèöèèðîâàíèå îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ, ñèëüíî çàâèñèò îò îðèåíòàöèè ïëîñêîñòè òðåùèíû îòíîñèòåëüíî íàïðàâëåíèÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ.
 çàâèñèìîñòè îò óãëà ïàäåíèÿ èçëó÷åíèÿ íà òðåùèíó, òîëùèíû òðåùèíû, ñîñòîÿíèÿ ïîâåðõíîñòåé òðåùèíû âîçìîæíû ðàçëè÷íûå ïðîöåññû: îïòè÷åñêèé ïðîáîé íà òðåùèíå, ÷àñòè÷íîå ïðîõîæäåíèå èçëó÷åíèÿ ñêâîçü òðåùèíó, ðàñïðîñòðàíåíèå èçëó÷åíèÿ âäîëü ïëîñêîñòè òðåùèíû, åñëè îíà îðèåíòèðîâàííà ïàðàëëåëüíî íàïðàâëåíèþ ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ èëè ïîä óãëîì ïîëíîãî âíóòðåííåãî îòðàæåíèÿ. Äëÿ èñïîëüçîâàííûõ êðèñòàëëîâ ñ èñêóññòâåííî ââåäåííîé ìàêðîñêîïè÷åñêîé òðåùèíîé âåðîÿòíîñòü îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ íà âûõîäíîé ïîâåðõíîñòè ìàêñèìàëüíà, åñëè èçëó÷åíèå ïàäàåò íà òðåùèíó ïîä óãëîì, áëèçêèì ê óãëó ïîëíîãî âíóòðåííåãî îòðàæåíèÿ.  ýòîì ñëó÷àå ñëåäóåò îæèäàòü ìíîãîêðàòíîãî ïîâûøåíèÿ ïëîòíîñòè ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ â îáëàñòè åãî âûõîäà èç êðèñòàëëà, ÷òî õîðîøî ïðîÿâëÿåòñÿ íà êðèñòàëëàõ êàëüöèòà. Õàðàêòåðíûé âèä çîíû îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ äëÿ ýòîãî ñëó÷àÿ ïîêàçàí íà ðèñ. 4.
 ïðîöåññå ýêñïëóàòàöèè îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ñíèæàåòñÿ ïîðîã îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ èõ ïîâåðõíî-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 2, 2008
1 ìì
Ðèñ. 4. Ðàçðóøåíèå íà òðåùèíå, îðèåíòèðîâàííîé ïîä ìàëûì óãëîì ê íàïðàâëåíèþ ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ. Ñòðåëêîé ïîêàçàíà îáëàñòü ðàçðóøåíèÿ.
ñòè.  ðàáîòå [5] íàáëþäàëè äâóõ-, òðåõêðàòíîå ñíèæåíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè çà ñ÷åò àäñîðáöèè âëàãè â ïîâåðõíîñòíîì òðåùèíîâàòîì ñëîå. Àäñîðáöèÿ âîäû ïðîõîäèëà íå âî âñåì ïîâðåæäåííîì ñëîå, à òîëüêî â òðåùèíîâàòîì. Êàê ïðàâèëî, íà ïîâåðõíîñòè íà÷èíàþòñÿ ïðîöåññû ïåðåêðèñòàëëèçàöèè, òåðìè÷åñêîãî ðàçëîæåíèÿ ìàòåðèàëà.
Òàêèì îáðàçîì, â òðåòèé ïåðèîä ñóùåñòâîâàíèÿ òðåùèíû ïðåäåëüíàÿ ëó÷åâàÿ ïðî÷íîñòü ìàòåðèàëà îïðåäåëÿåòñÿ óâåëè÷åíèåì êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ ïîâåðõíîñòåé òðåùèí âñëåäñòâèå èõ êîíòàêòà ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé.
3.  âåðøèíå ñâåæåé òðåùèíû îáû÷íî ïðèñóòñòâóþò ïîëÿ ìåõàíè÷åñêèõ íàïðÿæåíèé.  îêðåñòíîñòè âåðøèíû òðåùèíû äëÿ îáðàçöîâ, ñïîñîáíûõ äåôîðìèðîâàòüñÿ çà ñ÷åò òðàíñëÿöèîííîãî ñêîëüæåíèÿ, ïîâûøåíà ïëîòíîñòü äèñëîêàöèé.
Ïîäîáíûå íåîäíîðîäíîñòè ñòðóêòóðû, êàê ïðàâèëî, ïðèâîäÿò ê ñíèæåíèþ ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè.  òî æå âðåìÿ èçâåñòíî, ÷òî â çàâèñèìîñòè îò èíòåíñèâíîñòè, ïðîäîëæèòåëüíîñòè èçëó÷åíèÿ è åãî ñïåêòðàëüíîãî ñîñòàâà âîçìîæíî ïðîòåêàíèå ïðîöåññîâ ðåëàêñàöèè ìåõàíè÷åñêèõ íàïðÿæåíèé.  îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ âîçìîæíû àííèãèëÿöèÿ äèñëîêàöèé è ÷àñòè÷íîå çàëå÷èâàíèå ìàêðîñêîïè÷åñêèõ äåôåêòîâ. Îáðàòèìîå äâèæåíèå äèñëîêàöèé â ëó÷àõ äèñëîêàöèîííîé ðîçåòêè òðåùèíû îáúÿñíÿåò åå ïëàñòè÷åñêîå çàêðûòèå [3].
Ñëåäîâàòåëüíî, ìîæíî óñîâåðøåíñòâîâàòü èçâåñòíûé ìåòîä ëàçåðíîãî óïðî÷íåíèÿ îïòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ, ñîãëàñíî êîòîðîìó âûãîðàíèå ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèé ïðè îáëó÷åíèè îáðàçöà èçëó÷åíèåì äîïîðîãîâîé èíòåíñèâíîñòè ïðèâîäèò ê ïîâûøåíèþ ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè.
Ïîñëåäîâàòåëüíàÿ îáðàáîòêà îáëàñòè ó âåðøèíû òðåùèíû ìîùíûìè èìïóëüñàìè äîïîðîãîâîé
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 2, 2008
èíòåíñèâíîñòè ñ ïðîìåæóòî÷íîé îáðàáîòêîé íèçêîýíåðãåòè÷åñêèì ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì ïîçâîëÿåò îñóùåñòâèòü ìÿãêîå ðàçðóøåíèå ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèé, à çàòåì ïîíèçèòü ïëîòíîñòü äèñëîêàöèé çà ñ÷åò ðàçáëîêèðîâàíèÿ ñòîïîðîâ è ñòèìóëèðîâàíèÿ îáðàòíîãî äâèæåíèÿ, à òàêæå ïîíèçèòü îáùèé óðîâåíü ìåõàíè÷åñêèõ íàïðÿæåíèé è ëèêâèäèðîâàòü îïàñíûå êîíöåíòðàòîðû â îêðåñòíîñòè ôîðìèðóþùèõñÿ òðåùèí.
Äëÿ îáðàçöîâ ñ èñõîäíîé ìàêðîñêîïè÷åñêîé òðåùèíîé, íàõîäÿùåéñÿ íà âòîðîì è òðåòüåì ïåðèîäàõ åå ñóùåñòâîâàíèÿ, â ðåçóëüòàòå óêàçàííîé îáðàáîòêè îòìå÷åíî ïîâûøåíèå ëó÷åâîé è ìåõàíè÷åñêîé (â óñëîâèÿõ îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ) ïðî÷íîñòè. Ïîâûøåíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè ÙÃÊ íà îáðàçöàõ ñ âûñîêèì ñîäåðæàíèåì ïðèìåñåé (10–2 – 10–3 âåñ.%) äîñòèãàåò 3–5-êðàòíîãî çíà÷åíèÿ (íàïðèìåð, ñ 3×108 äî 7×108 Âò/ñì2 äëÿ ÙÊÃ, ëåãèðîâàííûõ Cr3+ 10–3 âåñ.%), ÷òî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî ëó÷åâàÿ ïðî÷íîñòü îïðåäåëÿåòñÿ íå òîëüêî ñîäåðæàíèåì ïîãëîùàþùèõ ïðèìåñåé, íî è â áîëüøåé ñòåïåíè òåì, â êàêîì ñîñòîÿíèè (â êàêèõ êîíãëîìåðàòàõ) íàõîäÿòñÿ ýòè ïðèìåñè. Ñóùåñòâåííîå ïîâûøåíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè îáóñëîâëåíî õîðîøåé ñïîñîáíîñòüþ ÙÃÊ ê ïëàñòè÷åñêîìó äåôîðìèðîâàíèþ è âîçìîæíîñòüþ ýôôåêòèâíîãî ïåðåâîäà ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèé â íåîïàñíîå ñîñòîÿíèå. Íàáëþäàåòñÿ òàêæå óâåëè÷åíèå ìåõàíè÷åñêîé ïðî÷íîñòè â óñëîâèÿõ îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ. Äëÿ îáðàçöîâ, ïîäâåðãíóòûõ îáðàáîòêå ïî óêàçàííîé ìåòîäèêå, âåðîÿòíîñòü àêòèâàöèè ðîñòà òðåùèíû ïðè ëàçåðíîì ðàçðóøåíèè ñíèæàëàñü c 70–80 äî 20–30% â çàâèñèìîñòè îò òèïà îáðàçöîâ.
Âûâîäû
1. Âåðîÿòíîñòü îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ íà ìàêðîñêîïè÷åñêîé òðåùèíå çàâèñèò îò îðèåíòàöèè òðåùèíû îòíîñèòåëüíî íàïðàâëåíèÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ è îò õàðàêòåðà ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèé â ìàòåðèàëå. Âîçìîæíîñòü àêòèâàöèè ðîñòà òðåùèíû â óñëîâèÿõ îáëó÷åíèÿ ñâÿçàíà ñ âçàèìîäåéñòâèåì ïîëÿ ìåõàíè÷åñêèõ íàïðÿæåíèé â âåðøèíå òðåùèíû è ïîëåé ìåõàíè÷åñêèõ íàïðÿæåíèé, âîçíèêàþùèõ ïðè ïðîõîæäåíèè èçëó÷åíèÿ ÷åðåç ïðîçðà÷íûé ìàòåðèàë.
2.  ïåðâûé ïåðèîä ñóùåñòâîâàíèÿ òðåùèíû äîìèíèðóþùèìè ôàêòîðàìè ñíèæåíèÿ ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè ÿâëÿþòñÿ ýìèññèÿ ýëåêòðîíîâ è ýëåêòðè÷åñêèå ÿâëåíèÿ íà òðåùèíå. Âî âòîðîé ïåðèîä âêëàä òðåùèíû â óìåíüøåíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè îáëó÷àåìûõ îáðàçöîâ â îñíîâíîì îïðåäåëÿåòñÿ èíòåðôåðåíöèîííûìè ÿâëåíèÿìè.  òðåòèé ïåðèîä äîìèíèðóþùèì ôàêòîðîì ñíèæåíèÿ ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè ÿâëÿåòñÿ óâåëè÷åíèå êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ ïîâåðõíîñòåé òðåùèí.
77
3. Óñòàíîâëåíû ðåæèìû ëàçåðíîé îáðàáîòêè îïòè÷åñêè ïðîçðà÷íûõ ìàòåðèàëîâ, îñíîâàííûå íà ñåëåêòèâíîì ìîäèôèöèðîâàíèè äåôåêòíûõ îáëàñòåé, ïîçâîëÿþùèå ïîâûñèòü ëó÷åâóþ è ìåõàíè÷åñêóþ (â óñëîâèÿõ ëàçåðíîãî îáëó÷åíèÿ) ïðî÷íîñòü. Ýêñïåðèìåíòàëüíî óñòàíîâëåíî, ÷òî ïîñëåäîâàòåëüíîå èíèöèèðîâàíèå î÷àãîâ ðàçðóøåíèÿ (äåôîðìèðîâàíèÿ) èìïóëüñàìè äîïîðîãîâîé èíòåíñèâíîñòè ñ ïîñëåäóþùåé îáðàáîòêîé èçëó÷åíèåì ñ íèçêîé ïëîòíîñòüþ ìîùíîñòè ïîçâîëÿåò ëèêâèäèðîâàòü ñíèæàþùèå ëó÷åâóþ è ìåõàíè÷åñêóþ ïðî÷íîñòü äåôåêòû çà ñ÷åò èõ ìÿãêîãî ðàçðóøåíèÿ è ïåðåâîäà â íåîïàñíîå ñîñòîÿíèå, îñóùåñòâèòü ÷àñòè÷íîå çàëå÷èâàíèå äåôåêòîâ è ñíèæåíèå ìåõàíè÷åñêèõ íàïðÿæåíèé çà ñ÷åò îáðàòèìîãî äâèæåíèÿ äèñëîêàöèé.
Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå ãðàíòà ÐÔÔÈ ¹ 05-01-00215.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Êîðíôåëüä Ì.È. Ýëåêòðèçàöèÿ èîííîãî êðèñòàëëà ïðè ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè è ðàñùåïëåíèè // Óñïåõè ôèçè÷åñêèõ íàóê. 1975. Ò. 116. ¹ 2. Ñ. 327–339.
12. Ãèëìàí Äæ.Äæ. Ñêîë, ïëàñòè÷íîñòü è âÿçêîñòü êðèñòàëëîâ //Àòîìíûé ìåõàíèçì ðàçðóøåíèÿ. Ì.: Ìåòàëëóðãèÿ, 1963. Ñ. 220–250.
13. ×èâàíîâ À.Â. Çàëå÷èâàíèå òðåùèí â ÙÃÊ âîçäåéñòâèåì ìàëûõ äîç èîíèçèðóþùåãî èçëó÷åíèÿ // Êàíä. äèññ. Òàìáîâ. 2004. 160 ñ.
14. Òÿëèí Þ.È. Ìåõàíîýëåêòðè÷åñêèå ÿâëåíèÿ ïðè ðàçðóøåíèè íåìåòàëëè÷åñêèõ êðèñòàëëîâ // Êàíä. äèññ. Òàìáîâ. 1991. 153 ñ.
15. Áèëèáèí Ñ.Â., Åãîðîâ Â.Í., Êàöíåëüñîí À.À., Êîâàëåâ Â.È., Êîëåñîâà Í.Ñ., Ñèäîðîâ Þ.Ñ., Òêà÷åíêî Í.Ë., Ôàéçóëëîâ Ô.Ñ. Âëèÿíèå ïàðàìåòðîâ îïòè÷åñêîé îáðàáîòêè è ïðîöåññà åñòåñòâåííîãî ñòàðåíèÿ íà ãëóáèíó íàðóøåííîãî ñëîÿ è ëó÷åâóþ ïðî÷íîñòü ïîâåðõíîñòè ìîíîêðèñòàëëîâ KCl // Êâàíò. ýëåêòðîí. 1982. Ò. 9. ¹ 9. Ñ. 1912–1915.
16. Ãîðøêîâ Á.Ã., Äàíèëåéêî Þ.Ê., Ìàíåíêîâ À.À., Ïðîõîðîâ À.Ì., Ñèäîðèí À.Â. Ðàçìåðíûé ýôôåêò è ñòàòèñòèêà ëàçåðíîãî ðàçðóøåíèÿ ÙÃÊ íà l = 10,6 ìêì // Êâàíò. ýëåêòðîí. 1981. Ò. 8. ¹ 1. Ñ. 148–154.
17. Ñìèðíîâ Â.Í. Ñíèæåíèå ïîðîãà îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ âáëèçè ïîâåðõíîñòè ïëàñòè÷åñêè äåôîðìèðóåìîãî êðèñòàëëà // Ïèñüìà â ÆÒÔ. 1988. Ò. 14. ¹ 4. Ñ. 316–321.
18. Áåá÷óê À.Ñ., Ãðîìîâ Ä.À., Íå÷èòàéëî Â.Ñ. Ìåðà äåôåêòíîñòè ïîâåðõíîñòè è îïòè÷åñêàÿ ïðî÷íîñòü ïðîçðà÷íûõ äèýëåêòðèêîâ // Êâàíò. ýëåêòðîí. 1976. Ò. 3. ¹ 8. Ñ. 1814–1816.
19. Ôåäîðîâ Â.À., Óøàêîâ È.Â., Øåëîõâîñòîâ Â.Ï., Òîëñòîâà Ì.À. Ìîðôîëîãèÿ ïîâðåæäåíèé ìîíîêðèñòàëëîâ êàëüöèòà ïðè îïòè÷åñêîì ïðîáîå â øèðîêîì èíòåðâàëå òåìïåðàòóð // Âåñòíèê Òàìáîâñêîãî ãîñ. óí-òà. 1997. Ò. 2. ¹ 3. Ñ. 286–290.
10. Áëîìáåðãåí Í. Ýëåêòðè÷åñêèé ïðîáîé â òâåðäûõ òåëàõ ïîä äåéñòâèåì ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ // Êâàíò. ýëåêòðîí. 1974. Ò. 1. ¹ 4. Ñ. 786–805.
11. Äåðÿãèí Á.Â., Ìåöèê Ì.Ñ. Àäãåçèÿ òâåðäûõ òåë. Ì.: Íàóêà, 1973. 297 ñ.
12. Meyer K., Obrikat D., Rossberg M. Progress in triboluminescence of alkali halides and doped zink sulphides (II) // Krist. Techn. 1970. V. 5. ¹ 2. P. 181–205.
13. Áîåâ Ñ.Ã., Ôóðñà Ò.Â. Î ìåõàíèçìå ýëåêòðèçàöèè ìîíîêðèñòàëëîâ ëèòèÿ ïðè ðàñêàëûâàíèè // Ôèçèêà òâåðäîãî òåëà. 1986. Ò. 28. ¹ 7. Ñ. 2177–2180.
14. Ôèíêåëü Â.Ì., Ãîëîâèí Þ.È., Ñåðåäà Â.Å., Êóëèêîâà Ã.Ï., Çóåâ Ë.Á. Ýëåêòðè÷åñêèå ýôôåêòû ïðè ðàçðóøåíèè êðèñòàëëîâ LiF â ñâÿçè ñ ïðîáëåìîé óïðàâëåíèÿ òðåùèíîé // Ôèçèêà òâåðäîãî òåëà. 1975. Ò. 17. ¹ 3. Ñ. 770–776.
15. Ìàðêîâà-Îñîðãèíà È.À., Ñåí÷óêîâ Ô.Ä., Øìóðàê Ñ.Ç. Äåôîðìàöèîííàÿ ëþìèíèñöåíöèÿ êðèñòàëëîâ KCl-Ag // Ôèçèêà òâåðäîãî òåëà. 1972. Ò. 14. ¹ 5. Ñ. 1441–1443.
16. Zakrevskii V.A., Shuldiner A.V. Electron emission and luminescence owing to plastic deformation of ionic crystals // Philosophical Magazine B. 1995. V. 71. ¹ 2. P. 127–138.
78 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 2, 2008
ÂËÈßÍÈÅ ÒÐÅÙÈÍÛ È ÄÅÔÅÊÒÍÎÃÎ ÌÀÒÅÐÈÀËÀ  ÅÅ ÎÊÐÅÑÒÍÎÑÒÈ ÍÀ ËÓ×ÅÂÓÞ ÏÐÎ×ÍÎÑÒÜ ÏÐÎÇÐÀ×ÍÛÕ ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂ
© 2008 ã. È. Â. Óøàêîâ, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê. Òàìáîâñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò èì. Ã.Ð. Äåðæàâèíà, ã. Òàìáîâ E-mail: ushakoviv@mail.ru
Ðàáîòà ïîñâÿùåíà èçó÷åíèþ âëèÿíèÿ òðåùèíû íà ëó÷åâóþ ïðî÷íîñòü êðèñòàëëîâ, ïîäâåðãàåìûõ âîçäåéñòâèþ ìîùíîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ. Âûÿâëåíû ìåõàíèçìû âîçäåéñòâèÿ òðåùèí íà ëó÷åâóþ ïðî÷íîñòü îáðàçöîâ. Ðàññìîòðåíà çàâèñèìîñòü ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè îò âðåìåíè ñóùåñòâîâàíèÿ òðåùèíû. Îáñóæäåíà ìåòîäèêà ïîâûøåíèÿ ëó÷åâîé è ìåõàíè÷åñêîé ïðî÷íîñòè ïðîçðà÷íîãî ìàòåðèàëà.
Êîäû OCIS: 160.0160, 350.3390.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 11.07.2007.
Ðàçðóøåíèå îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ëàçåðíûõ ñèñòåì ÿâëÿåòñÿ ñåðüåçíîé ïðîáëåìîé, îãðàíè÷èâàþùåé ñðîê èõ ñëóæáû è ïðåäåëüíóþ ìîùíîñòü.  ýòîé ñâÿçè èññëåäîâàíèå âëèÿíèÿ äåôåêòîâ íà îïòè÷åñêóþ è ìåõàíè÷åñêóþ ïðî÷íîñòü ÿâëÿåòñÿ àêòóàëüíîé çàäà÷åé. Îäíèì èç äåôåêòîâ, ïðèâîäÿùèõ ê ðàçðóøåíèþ îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, ÿâëÿåòñÿ òðåùèíà. Ñîñòîÿíèå ìàòåðèàëà âáëèçè òðåùèíû çàâèñèò îò âðåìåíè åå ñóùåñòâîâàíèÿ, óñëîâèé îêðóæàþùåé ñðåäû, õàðàêòåðèñòèê ìàòåðèàëà è äðóãèõ ôàêòîðîâ. Ðîñò òðåùèí â äèýëåêòðèêå ñîïðîâîæäàåòñÿ ýìèññèåé ýëåêòðîíîâ, ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèåé, âîçíèêíîâåíèåì îáëàñòåé íàïðÿæåííîãî ñîñòîÿíèÿ [1–4]. Âîçäåéñòâèå òðåùèíîâàòîãî ñëîÿ íà îïòè÷åñêóþ ïðî÷íîñòü ìàòåðèàëà ïîäðîáíî ðàññìîòðåíî â ðÿäå ðàáîò [5–8]. Îäíàêî òåõíîëîãèÿ ïîëó÷åíèÿ òðåùèíîâàòîãî ñëîÿ òàêîâà, ÷òî, ïîìèìî òðåùèí, ïîâåðõíîñòíûé ñëîé ñîäåðæèò ìèêðîíåðîâíîñòè ïîâåðõíîñòè, èíîðîäíûå âêëþ÷åíèÿ, ñòðóêòóðíûå äåôåêòû è ïð. Òàêèì îáðàçîì, ôèçè÷åñêèå ïðîöåññû, ïðèâîäÿùèå ê îïòè÷åñêîìó ïðîáîþ íà òðåùèíå, íå îòäåëåíû îò äðóãèõ ìåõàíèçìîâ èíèöèèðîâàíèÿ îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ.
Öåëè ðàáîòû: èññëåäîâàíèå îñîáåííîñòåé îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ íà òðåùèíå, îïðåäåëåíèå âðåìåííîé çàâèñèìîñòè ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè ìàòåðèàëà ñ òðåùèíîé, îáñóæäåíèå ïðèíöèïîâ ïîâûøåíèÿ ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè çà ñ÷åò âûáîðî÷íîãî ìîäèôèöèðîâàíèÿ ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì äåôåêòíûõ îáëàñòåé ìàòåðèàëà.
Ìåòîäèêà ïðîâåäåíèÿ ýêñïåðèìåíòà
Èññëåäîâàíèÿ ïðîâîäèëè íà ìîíîêðèñòàëëàõ NaCl, KCl, LiF, CaCO3. Èñïîëüçîâàëè îáðàçöû ñ ñîäåðæàíèåì ïðèìåñåé îò 10–5 äî 10–2 âåñ.% (ëåãèðîâàíû Cr3+).
74
Äëÿ âûÿâëåíèÿ âëèÿíèÿ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ íà äåôåêòíóþ ñòðóêòóðó â îêðåñòíîñòè òðåùèíû èç áîëüøîãî ìîíîêðèñòàëëà âûêàëûâàëè çàãîòîâêè ðàçìåðîì 15×30×16 ìì. Êàæäóþ çàãîòîâêó ïî ïëîñêîñòè ñïàéíîñòè (010) ðàñêàëûâàëè íà äâå ðàâíûå ÷àñòè ñ ðàçìåðàìè 15×30×8 ìì.  îäíó èç íèõ â ïëîñêîñòè (100) ââîäèëè ìàêðîñêîïè÷åñêóþ òðåùèíó äëèíîé ïðèìåðíî 6 ìì, âòîðóþ îñòàâëÿëè áåç èçìåíåíèÿ. Îðèåíòàöèþ âõîäíîé ïîâåðõíîñòè îáðàçöà (100) ê íàïðàâëåíèþ ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ ìåíÿëè îò ïåðïåíäèêóëÿðíîé äî ïàðàëëåëüíîé ñ øàãîì 5°. Ïåðâóþ ÷àñòü – êîíòðîëüíûé îáðàçåö, äëÿ âûÿâëåíèÿ äèñëîêàöèîííîé ñòðóêòóðû ïîäâåðãàëè õèìè÷åñêîìó òðàâëåíèþ; âòîðóþ ÷àñòü ñíà÷àëà îáëó÷àëè èìïóëüñàìè ëàçåðà, çàòåì òàêæå ïîäâåðãàëè òðàâëåíèþ. Ïîñëå ýòîãî ñðàâíèâàëè äèñëîêàöèîííóþ ñòðóêòóðó è ìåñòî ðàñïîëîæåíèÿ âåðøèíû òðåùèíû â êîíòðîëüíîì è îáëó÷åííîì îáðàçöàõ.
Èñïîëüçîâàëè ÎÊà ÃÎÑ 1001 (äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ 1060 íì, äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà τ ≈ 1 ìñ). Ýíåðãèþ èìïóëüñîâ âàðüèðîâàëè îò 40 äî 500 Äæ, à ïëîùàäü îáëó÷àåìîé ïîâåðõíîñòè îò 12 äî 100 ìì2. Êðèñòàëëû îáëó÷àëè èìïóëüñàìè, íà÷èíàÿ ñ E = 0,7Eth (Eth – ïîðîãîâàÿ ýíåðãèÿ) è óâåëè÷èâàëè ýíåðãèþ êàæäîãî ñëåäóþùåãî èìïóëüñà íà 10% äî ðàçðóøåíèÿ îáðàçöà. Ïîäðîáíûå õàðàêòåðèñòèêè èçëó÷åíèÿ ïðèâåäåíû â [9].
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû è îáñóæäåíèå
1. Ïðè îáëó÷åíèè êðèñòàëëîâ êàëüöèòà ñ êðóïíûìè ïîãëîùàþùèìè âêëþ÷åíèÿìè (ðèñ. 1) èìïóëüñàìè èçëó÷åíèÿ äîïîðîãîâîé èíòåíñèâíîñòè â îáúåìå îáðàçöîâ íà ìåñòå ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèé âîçíèêàëè îáëàñòè ïîâðåæäåíèÿ ñ ðàçìåðàìè äî 1 ìì. Óâåëè÷åíèå ýíåðãèè èìïóëüñîâ ïðèâîäè-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 2, 2008
200 ìêì
Ðèñ. 1. Äâà êðóïíûõ ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèÿ íåïðàâèëüíîé ôîðìû, ñîñòîÿùèå èç íèòåâèäíûõ ïðîæèëîê, ðàñïîëîæåííûå â îáúåìå CaCO3. Èõ òîëùèíà â ðàçëè÷íûõ òî÷êàõ 0,02–0,04 ìì. Ïîìèìî ïîêàçàííûõ íà ðèñóíêå ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèé, êðèñòàëë ñîäåðæèò âêëþ÷åíèÿ ñ ðàçìåðàìè îò 10 äî 25 ìêì.
10 ìì
Ðèñ. 2. Îáúåäèíåíèå ëàçåðíî-èíäóöèðîâàííîé òðåùèíû ñ èñõîäíîé (ïîñëåäíÿÿ ïîêàçàíà ñòðåëêîé). Ïîâåðõíîñòü êðèñòàëëà CaCO3 – (010). Ðàçðóøåíèå êðèñòàëëà âñëåäñòâèå îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ íà äâóõ êðóïíûõ ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèÿõ. Îäíî èç ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèé íàõîäèëîñü âáëèçè ïîâåðõíîñòè èñõîäíîé ìàêðîñêîïè÷åñêîé òðåùèíû. Ïîëîæåíèå âåðøèíû èñõîäíîé òðåùèíû (äî îáëó÷åíèÿ) ïîêàçàíî ñòðåëêîé.
ðàçöîâ ñ èñõîäíîé ìàêðîñêîïè÷åñêîé òðåùèíîé. Ïðè÷èíîé ïîäðàñòàíèÿ èñõîäíîé ìàêðîñêîïè÷åñêîé òðåùèíû ìîãóò ÿâëÿòüñÿ ìåõàíè÷åñêèå íàïðÿæåíèÿ, âîçíèêàþùèå â êðèñòàëëå ïðè ðàñïðîñòðàíåíèè â íåì ìîùíîãî èìïóëüñà ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ (ðèñ. 3á, 3â); òåðìè÷åñêèå íàïðÿæåíèÿ îò íàãðåòûõ ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèé è ìåõàíè÷åñêèå íàïðÿæåíèÿ, ñîïðîâîæäàþùèå ðîñò ëàçåðíîé òðåùèíû (ðèñ. 3ã); âçàèìîäåéñòâèå ñ ëàçåðíî-èíäóöèðîâàííîé òðåùèíîé (ðèñ. 3ä–3ç).
2. Íà îïòè÷åñêóþ ïðî÷íîñòü òâåðäûõ ïðîçðà÷íûõ ìàòåðèàëîâ âëèÿåò âðåìÿ ñóùåñòâîâàíèÿ òðåùèí.
Ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè óñòàíîâëåíî, ÷òî ïðèìåðíî â ïîëîâèíå òâåðäûõ ïðîçðà÷íûõ òåë ðîñò òðåùèí ñîïðîâîæäàåòñÿ ýìèññèåé ýëåêòðîíîâ. Ñíèæåíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè, âûçâàííîå ñâîáîäíûìè ýëåêòðîíàìè, íàèáîëåå îò÷åòëèâî ïðîÿâëÿåòñÿ íà ìàòåðèàëàõ, èìåþùèõ âûñîêèé ïîðîã îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ. Äëÿ òàêèõ ìàòåðèàëîâ ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû èãðàþò ðîëü “çàòðàâî÷íûõ ýëåêòðîíîâ”, èíèöèèðóþùèõ ðàçâèòèå ýëåêòðîííîé ëàâèíû.
 ðàáîòàõ [6, 10] ïîêàçàíî, ÷òî ïîäñâåòêà óëüòðàôèîëåòîâûì ñâåòîì, ïðèâîäÿùàÿ ê ïîÿâëåíèþ ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ, ìîæåò âûçûâàòü çíà÷èòåëüíîå ñíèæåíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè ñ q* ≈ 1011 Âò/ñì2 äî q* ≈ 2×1010 Âò/ñì2 (λ = 10,6 ìêì, dê ≈ 23 è 220 ìêì). Ïðè÷èíîé îáðàçîâàíèÿ ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ ìîãóò áûòü ïëàñòè÷åñêàÿ äåôîðìàöèÿ è ýìèññèÿ ýëåêòðîíîâ ðàñòóùåé òðåùèíîé. Ïîðîã îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ äåôîðìèðóåìûõ êðèñòàëëîâ ïðèìåðíî â äâà ðàçà íèæå ïîðîãà îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ ýòèõ æå êðèñòàëëîâ, íå ïîäâåðãàåìûõ äåôîðìàöèè
(à) (á) (â)
(ã)
ëî ê ðàçðóøåíèþ îáðàçöîâ çà ñ÷åò ïîÿâëåíèÿ íà ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèÿõ ìàãèñòðàëüíûõ òðåùèí (ðèñ. 2). Ùåëî÷íî-ãàëîèäíûå êðèñòàëëû (ÙÃÊ), ëåãèðîâàííûå Cr3+ îò 10–2 äî 10–3 âåñ.%, ðàçðóøàëèñü âñëåäñòâèå âîçíèêíîâåíèÿ íà ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèÿõ ìàãèñòðàëüíûõ ëàçåðíî-èíäóöèðîâàííûõ òðåùèí.
Íàáëþäàëèñü ñëó÷àè, êîãäà â îòñóòñòâèå êðóïíûõ î÷àãîâ ðàçðóøåíèÿ èñõîäíàÿ òðåùèíà ïðîðàñòàëà, ñòàíîâÿñü ìàãèñòðàëüíîé. Âåðîÿòíîñòü àêòèâàöèè ðîñòà èñõîäíîé òðåùèíû ïðè ëàçåðíî-èíäóöèðîâàííîì ðàçðóøåíèè îáðàçöà ñîñòàâëÿåò 70–80%.
Íà ðèñ. 3 ïðèâåäåíû ñõåìû õàðàêòåðíûõ ìàêðîêàðòèí ëàçåðíî-èíäóöèðîâàííîãî ðàçðóøåíèÿ îá-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 2, 2008
(ä) (å) (æ) (ç)
Ðèñ. 3. Ìàêðîêàðòèíû ëàçåðíî-èíäóöèðîâàííîãî ðàçðóøåíèÿ îáðàçöà ñ èñõîäíîé ìàêðîòðåùèíîé. a – èñõîäíûé îáðàçåö ñ ìàêðîñêîïè÷åñêîé òðåùèíîé, á, â, ã, ä, å, æ, ç – ðàçðóøåíèÿ îáðàçöà ïîñëå îáëó÷åíèÿ (ïîÿñíåíèÿ â òåêñòå).
75
[7] (dôîê = 0,25 ìì, λ = 10,6 ìêì, ñíèæåíèå q* ñ 170 ± 20 ÌÂò/ñì2 äî 90 ÌÂò/ñì2). Ñâèäåòåëüñòâîì ðîëè ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ â èíèöèèðîâàíèè îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ â òâåðäûõ ïðîçðà÷íûõ ìàòåðèàëàõ ÿâëÿåòñÿ ýêñïåðèìåíòàëüíî ôèêñèðóåìûé îïòè÷åñêèé ïðîáîé ïðè ðàñïðîñòðàíåíèè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ âäîëü ïîâåðõíîñòè äåôîðìèðóåìîãî êðèñòàëëà [7] (dôîê = 0,5 ìì, λ = 10,6 ìêì, ñíèæåíèå q* ñ 170 ± 20 ÌÂò/ñì2 äî 90 ÌÂò/ñì2). Òàêèì îáðàçîì, â ïðîöåññå ðîñòà òðåùèí ïðåäåëüíàÿ ëó÷åâàÿ ïðî÷íîñòü îïðåäåëÿåòñÿ íàëè÷èåì ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ, îáðàçóþùèõñÿ íà ïîâåðõíîñòÿõ òðåùèí.
Íàèáîëüøàÿ äèíàìè÷åñêàÿ ïëîòíîñòü çàðÿäîâ íà ïîâåðõíîñòÿõ ðàñòóùåé òðåùèíû ìîæåò áûòü íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ áîëüøå âåëè÷èíû îñòàòî÷íûõ çàðÿäîâ è äîñòèãàòü 103–104 ìêÊë/ì2, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò êîíöåíòðàöèè ýëåêòðîíîâ 1011–1012 ñì–2 [11]. Ýëåêòðè÷åñêèå ðàçðÿäû ìåæäó áåðåãàìè ðàñòóùèõ òðåùèí îòìå÷åíû â ïîëóïðîâîäíèêàõ [12], ùåëî÷íî-ãàëîèäíûõ êðèñòàëëàõ [13, 14], ïüåçî-, ïèðî-, ôåððî-, ñåãíåòîýëåêòðèêàõ [4].  òî æå âðåìÿ ñíèæåíèå îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ, âûçâàííîå ýìèññèåé ýëåêòðîíîâ, ìîæåò íàáëþäàòüñÿ íå òîëüêî ïðè îáðàçîâàíèè òðåùèí, íî è ïîä äåéñòâèåì ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè. Èíòåíñèâíàÿ ýìèññèÿ ýëåêòðîíîâ, âñïûøêè ëþìèíåñöåíöèè íàáëþäàþòñÿ ïðè äåôîðìèðîâàíèè ìàòåðèàëà [15].
Ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû (îáðàçîâàâøèåñÿ âñëåäñòâèå ðîñòà òðåùèíû è ñîïóòñòâóþùåé ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè) ìîãóò ñîõðàíÿòüñÿ â òå÷åíèå ÷àñîâ è äàæå äíåé [16]. Îäíàêî äëÿ áîëüøèíñòâà ïðîçðà÷íûõ ìàòåðèàëîâ, íàõîäÿùèõñÿ â íîðìàëüíûõ óñëîâèÿõ, ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû ìîãóò çàìåòíî âëèÿòü íà ëó÷åâóþ ïðî÷íîñòü ìàòåðèàëà â òå÷åíèå t ≈ 100 ñ ïîñëå ïðåêðàùåíèÿ äåôîðìàöèè.
Âêëàä ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ â ñíèæåíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè ïðîçðà÷íîãî ìàòåðèàëà çàâèñèò îò îïòè÷åñêîãî ñîâåðøåíñòâà ìàòåðèàëà. ×åì âûøå ïîðîã îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ â îòñóòñòâèå ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ, òåì çíà÷èòåëüíåå ñíèæåíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè ïðè èõ ïîÿâëåíèè.
Äëÿ ìàòåðèàëîâ, èìåþùèõ ïîðîã îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ q* ≈ 1011 Âò/ñì2 è âûøå, ëó÷åâàÿ ïðî÷íîñòü çàìåòíî ñíèæàåòñÿ (äî 6 ðàç) ïðè ïîÿâëåíèè â çîíå îáëó÷åíèÿ “çàòðàâî÷íûõ ýëåêòðîíîâ” [6]. Íà ìàòåðèàëàõ c ïîðîãîì îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ ïîðÿäêà 106 Âò/ñì2 è íèæå, îáëó÷àåìûõ èçëó÷åíèåì äîïîðîãîâîé èíòåíñèâíîñòè, åäèíè÷íûå ýëåêòðîíû íå îêàæóò çàìåòíîãî âëèÿíèÿ íà ëó÷åâóþ ïðî÷íîñòü. Íà òàêèõ ìàòåðèàëàõ îïòè÷åñêèé ïðîáîé áóäåò èíèöèèðîâàòüñÿ çà ñ÷åò íàãðåâà ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèé, à ôîðìèðóþùèåñÿ òðåùèíû è ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû îêàçûâàþò âëèÿíèå íà ñëåäóþùèå ñòàäèè ðàçâèòèÿ îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ è ìåõàíè÷åñêîãî ðàçðóøåíèÿ.
76
Òàêèì îáðàçîì, â ïåðâûé ïåðèîä ñóùåñòâîâàíèÿ òðåùèíû äîìèíèðóþùèì ôàêòîðîì, îïðåäåëÿþùèì ïðåäåëüíîå çíà÷åíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè, ÿâëÿåòñÿ ýìèññèÿ ýëåêòðîíîâ, îáðàçóþùèõñÿ ïðè ðîñòå òðåùèíû è ñîïðîâîæäàþùåé åå ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè. Âðåìÿ, â òå÷åíèå êîòîðîãî ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû îêàçûâàþò âëèÿíèå íà ëó÷åâóþ ïðî÷íîñòü, çàâèñèò îò ñâîéñòâ ìàòåðèàëà è îêðóæàþùåé ñðåäû.
 äàííîé ðàáîòå îáðàçöû îáëó÷àëè ïðèìåðíî ÷åðåç 5 ìèí ïîñëå ââåäåíèÿ ìàêðîòðåùèíû, êîãäà ïðàêòè÷åñêè çàâåðøàþòñÿ ýìèññèÿ ýëåêòðîíîâ è ðåëàêñàöèÿ âûñîêèõ ìåõàíè÷åñêèõ íàïðÿæåíèé.  òî æå âðåìÿ ýôôåêò ñòàðåíèÿ ïîâåðõíîñòåé òðåùèíû íå ñêàçûâàëñÿ íà ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè [5]. Ýòîìó ïåðèîäó ñîîòâåòñòâóåò íàèáîëüøåå çíà÷åíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè, êîãäà âêëàä òðåùèíû â åå ñíèæåíèå ìèíèìàëåí è îáóñëîâëåí èíòåðôåðåíöèîííûìè ÿâëåíèÿìè.
 äàííîé ðàáîòå ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîêàçàíî âëèÿíèå îäíîé ìàêðîñêîïè÷åñêîé òðåùèíû íà êàðòèíó ðàñïðåäåëåíèÿ èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ. Âåðîÿòíîñòü ïîÿâëåíèÿ ïîâðåæäåíèÿ íà âûõîäíîé ïîâåðõíîñòè ïðîçðà÷íîãî ìàòåðèàëà âûøå, ÷åì íà âõîäíîé.  ðåçóëüòàòå íàëîæåíèÿ ñâåòà, ïàäàþùåãî è îòðàæåííîãî îò ïëîñêîñòè òðåùèíû, âîçìîæíî âîçíèêíîâåíèå èíòåðôåðåíöèîííîé êàðòèíû.  ìåñòàõ èíòåðôåðåíöèîííûõ ìàêñèìóìîâ èíèöèèðóåòñÿ îïòè÷åñêèé ïðîáîé, çàõâàòûâàþùèé çàòåì âñþ îáëó÷àåìóþ îáëàñòü.
Çîíà îáëó÷åíèÿ âûõîäíîé ïîâåðõíîñòè, â êîòîðîé âîçìîæíî èíèöèèðîâàíèå îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ, ñèëüíî çàâèñèò îò îðèåíòàöèè ïëîñêîñòè òðåùèíû îòíîñèòåëüíî íàïðàâëåíèÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ.
 çàâèñèìîñòè îò óãëà ïàäåíèÿ èçëó÷åíèÿ íà òðåùèíó, òîëùèíû òðåùèíû, ñîñòîÿíèÿ ïîâåðõíîñòåé òðåùèíû âîçìîæíû ðàçëè÷íûå ïðîöåññû: îïòè÷åñêèé ïðîáîé íà òðåùèíå, ÷àñòè÷íîå ïðîõîæäåíèå èçëó÷åíèÿ ñêâîçü òðåùèíó, ðàñïðîñòðàíåíèå èçëó÷åíèÿ âäîëü ïëîñêîñòè òðåùèíû, åñëè îíà îðèåíòèðîâàííà ïàðàëëåëüíî íàïðàâëåíèþ ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ èëè ïîä óãëîì ïîëíîãî âíóòðåííåãî îòðàæåíèÿ. Äëÿ èñïîëüçîâàííûõ êðèñòàëëîâ ñ èñêóññòâåííî ââåäåííîé ìàêðîñêîïè÷åñêîé òðåùèíîé âåðîÿòíîñòü îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ íà âûõîäíîé ïîâåðõíîñòè ìàêñèìàëüíà, åñëè èçëó÷åíèå ïàäàåò íà òðåùèíó ïîä óãëîì, áëèçêèì ê óãëó ïîëíîãî âíóòðåííåãî îòðàæåíèÿ.  ýòîì ñëó÷àå ñëåäóåò îæèäàòü ìíîãîêðàòíîãî ïîâûøåíèÿ ïëîòíîñòè ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ â îáëàñòè åãî âûõîäà èç êðèñòàëëà, ÷òî õîðîøî ïðîÿâëÿåòñÿ íà êðèñòàëëàõ êàëüöèòà. Õàðàêòåðíûé âèä çîíû îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ äëÿ ýòîãî ñëó÷àÿ ïîêàçàí íà ðèñ. 4.
 ïðîöåññå ýêñïëóàòàöèè îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ñíèæàåòñÿ ïîðîã îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ èõ ïîâåðõíî-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 2, 2008
1 ìì
Ðèñ. 4. Ðàçðóøåíèå íà òðåùèíå, îðèåíòèðîâàííîé ïîä ìàëûì óãëîì ê íàïðàâëåíèþ ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ. Ñòðåëêîé ïîêàçàíà îáëàñòü ðàçðóøåíèÿ.
ñòè.  ðàáîòå [5] íàáëþäàëè äâóõ-, òðåõêðàòíîå ñíèæåíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè çà ñ÷åò àäñîðáöèè âëàãè â ïîâåðõíîñòíîì òðåùèíîâàòîì ñëîå. Àäñîðáöèÿ âîäû ïðîõîäèëà íå âî âñåì ïîâðåæäåííîì ñëîå, à òîëüêî â òðåùèíîâàòîì. Êàê ïðàâèëî, íà ïîâåðõíîñòè íà÷èíàþòñÿ ïðîöåññû ïåðåêðèñòàëëèçàöèè, òåðìè÷åñêîãî ðàçëîæåíèÿ ìàòåðèàëà.
Òàêèì îáðàçîì, â òðåòèé ïåðèîä ñóùåñòâîâàíèÿ òðåùèíû ïðåäåëüíàÿ ëó÷åâàÿ ïðî÷íîñòü ìàòåðèàëà îïðåäåëÿåòñÿ óâåëè÷åíèåì êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ ïîâåðõíîñòåé òðåùèí âñëåäñòâèå èõ êîíòàêòà ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé.
3.  âåðøèíå ñâåæåé òðåùèíû îáû÷íî ïðèñóòñòâóþò ïîëÿ ìåõàíè÷åñêèõ íàïðÿæåíèé.  îêðåñòíîñòè âåðøèíû òðåùèíû äëÿ îáðàçöîâ, ñïîñîáíûõ äåôîðìèðîâàòüñÿ çà ñ÷åò òðàíñëÿöèîííîãî ñêîëüæåíèÿ, ïîâûøåíà ïëîòíîñòü äèñëîêàöèé.
Ïîäîáíûå íåîäíîðîäíîñòè ñòðóêòóðû, êàê ïðàâèëî, ïðèâîäÿò ê ñíèæåíèþ ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè.  òî æå âðåìÿ èçâåñòíî, ÷òî â çàâèñèìîñòè îò èíòåíñèâíîñòè, ïðîäîëæèòåëüíîñòè èçëó÷åíèÿ è åãî ñïåêòðàëüíîãî ñîñòàâà âîçìîæíî ïðîòåêàíèå ïðîöåññîâ ðåëàêñàöèè ìåõàíè÷åñêèõ íàïðÿæåíèé.  îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ âîçìîæíû àííèãèëÿöèÿ äèñëîêàöèé è ÷àñòè÷íîå çàëå÷èâàíèå ìàêðîñêîïè÷åñêèõ äåôåêòîâ. Îáðàòèìîå äâèæåíèå äèñëîêàöèé â ëó÷àõ äèñëîêàöèîííîé ðîçåòêè òðåùèíû îáúÿñíÿåò åå ïëàñòè÷åñêîå çàêðûòèå [3].
Ñëåäîâàòåëüíî, ìîæíî óñîâåðøåíñòâîâàòü èçâåñòíûé ìåòîä ëàçåðíîãî óïðî÷íåíèÿ îïòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ, ñîãëàñíî êîòîðîìó âûãîðàíèå ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèé ïðè îáëó÷åíèè îáðàçöà èçëó÷åíèåì äîïîðîãîâîé èíòåíñèâíîñòè ïðèâîäèò ê ïîâûøåíèþ ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè.
Ïîñëåäîâàòåëüíàÿ îáðàáîòêà îáëàñòè ó âåðøèíû òðåùèíû ìîùíûìè èìïóëüñàìè äîïîðîãîâîé
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 2, 2008
èíòåíñèâíîñòè ñ ïðîìåæóòî÷íîé îáðàáîòêîé íèçêîýíåðãåòè÷åñêèì ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì ïîçâîëÿåò îñóùåñòâèòü ìÿãêîå ðàçðóøåíèå ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèé, à çàòåì ïîíèçèòü ïëîòíîñòü äèñëîêàöèé çà ñ÷åò ðàçáëîêèðîâàíèÿ ñòîïîðîâ è ñòèìóëèðîâàíèÿ îáðàòíîãî äâèæåíèÿ, à òàêæå ïîíèçèòü îáùèé óðîâåíü ìåõàíè÷åñêèõ íàïðÿæåíèé è ëèêâèäèðîâàòü îïàñíûå êîíöåíòðàòîðû â îêðåñòíîñòè ôîðìèðóþùèõñÿ òðåùèí.
Äëÿ îáðàçöîâ ñ èñõîäíîé ìàêðîñêîïè÷åñêîé òðåùèíîé, íàõîäÿùåéñÿ íà âòîðîì è òðåòüåì ïåðèîäàõ åå ñóùåñòâîâàíèÿ, â ðåçóëüòàòå óêàçàííîé îáðàáîòêè îòìå÷åíî ïîâûøåíèå ëó÷åâîé è ìåõàíè÷åñêîé (â óñëîâèÿõ îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ) ïðî÷íîñòè. Ïîâûøåíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè ÙÃÊ íà îáðàçöàõ ñ âûñîêèì ñîäåðæàíèåì ïðèìåñåé (10–2 – 10–3 âåñ.%) äîñòèãàåò 3–5-êðàòíîãî çíà÷åíèÿ (íàïðèìåð, ñ 3×108 äî 7×108 Âò/ñì2 äëÿ ÙÊÃ, ëåãèðîâàííûõ Cr3+ 10–3 âåñ.%), ÷òî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî ëó÷åâàÿ ïðî÷íîñòü îïðåäåëÿåòñÿ íå òîëüêî ñîäåðæàíèåì ïîãëîùàþùèõ ïðèìåñåé, íî è â áîëüøåé ñòåïåíè òåì, â êàêîì ñîñòîÿíèè (â êàêèõ êîíãëîìåðàòàõ) íàõîäÿòñÿ ýòè ïðèìåñè. Ñóùåñòâåííîå ïîâûøåíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè îáóñëîâëåíî õîðîøåé ñïîñîáíîñòüþ ÙÃÊ ê ïëàñòè÷åñêîìó äåôîðìèðîâàíèþ è âîçìîæíîñòüþ ýôôåêòèâíîãî ïåðåâîäà ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèé â íåîïàñíîå ñîñòîÿíèå. Íàáëþäàåòñÿ òàêæå óâåëè÷åíèå ìåõàíè÷åñêîé ïðî÷íîñòè â óñëîâèÿõ îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ. Äëÿ îáðàçöîâ, ïîäâåðãíóòûõ îáðàáîòêå ïî óêàçàííîé ìåòîäèêå, âåðîÿòíîñòü àêòèâàöèè ðîñòà òðåùèíû ïðè ëàçåðíîì ðàçðóøåíèè ñíèæàëàñü c 70–80 äî 20–30% â çàâèñèìîñòè îò òèïà îáðàçöîâ.
Âûâîäû
1. Âåðîÿòíîñòü îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ íà ìàêðîñêîïè÷åñêîé òðåùèíå çàâèñèò îò îðèåíòàöèè òðåùèíû îòíîñèòåëüíî íàïðàâëåíèÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ è îò õàðàêòåðà ïîãëîùàþùèõ âêëþ÷åíèé â ìàòåðèàëå. Âîçìîæíîñòü àêòèâàöèè ðîñòà òðåùèíû â óñëîâèÿõ îáëó÷åíèÿ ñâÿçàíà ñ âçàèìîäåéñòâèåì ïîëÿ ìåõàíè÷åñêèõ íàïðÿæåíèé â âåðøèíå òðåùèíû è ïîëåé ìåõàíè÷åñêèõ íàïðÿæåíèé, âîçíèêàþùèõ ïðè ïðîõîæäåíèè èçëó÷åíèÿ ÷åðåç ïðîçðà÷íûé ìàòåðèàë.
2.  ïåðâûé ïåðèîä ñóùåñòâîâàíèÿ òðåùèíû äîìèíèðóþùèìè ôàêòîðàìè ñíèæåíèÿ ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè ÿâëÿþòñÿ ýìèññèÿ ýëåêòðîíîâ è ýëåêòðè÷åñêèå ÿâëåíèÿ íà òðåùèíå. Âî âòîðîé ïåðèîä âêëàä òðåùèíû â óìåíüøåíèå ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè îáëó÷àåìûõ îáðàçöîâ â îñíîâíîì îïðåäåëÿåòñÿ èíòåðôåðåíöèîííûìè ÿâëåíèÿìè.  òðåòèé ïåðèîä äîìèíèðóþùèì ôàêòîðîì ñíèæåíèÿ ëó÷åâîé ïðî÷íîñòè ÿâëÿåòñÿ óâåëè÷åíèå êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ ïîâåðõíîñòåé òðåùèí.
77
3. Óñòàíîâëåíû ðåæèìû ëàçåðíîé îáðàáîòêè îïòè÷åñêè ïðîçðà÷íûõ ìàòåðèàëîâ, îñíîâàííûå íà ñåëåêòèâíîì ìîäèôèöèðîâàíèè äåôåêòíûõ îáëàñòåé, ïîçâîëÿþùèå ïîâûñèòü ëó÷åâóþ è ìåõàíè÷åñêóþ (â óñëîâèÿõ ëàçåðíîãî îáëó÷åíèÿ) ïðî÷íîñòü. Ýêñïåðèìåíòàëüíî óñòàíîâëåíî, ÷òî ïîñëåäîâàòåëüíîå èíèöèèðîâàíèå î÷àãîâ ðàçðóøåíèÿ (äåôîðìèðîâàíèÿ) èìïóëüñàìè äîïîðîãîâîé èíòåíñèâíîñòè ñ ïîñëåäóþùåé îáðàáîòêîé èçëó÷åíèåì ñ íèçêîé ïëîòíîñòüþ ìîùíîñòè ïîçâîëÿåò ëèêâèäèðîâàòü ñíèæàþùèå ëó÷åâóþ è ìåõàíè÷åñêóþ ïðî÷íîñòü äåôåêòû çà ñ÷åò èõ ìÿãêîãî ðàçðóøåíèÿ è ïåðåâîäà â íåîïàñíîå ñîñòîÿíèå, îñóùåñòâèòü ÷àñòè÷íîå çàëå÷èâàíèå äåôåêòîâ è ñíèæåíèå ìåõàíè÷åñêèõ íàïðÿæåíèé çà ñ÷åò îáðàòèìîãî äâèæåíèÿ äèñëîêàöèé.
Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå ãðàíòà ÐÔÔÈ ¹ 05-01-00215.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Êîðíôåëüä Ì.È. Ýëåêòðèçàöèÿ èîííîãî êðèñòàëëà ïðè ïëàñòè÷åñêîé äåôîðìàöèè è ðàñùåïëåíèè // Óñïåõè ôèçè÷åñêèõ íàóê. 1975. Ò. 116. ¹ 2. Ñ. 327–339.
12. Ãèëìàí Äæ.Äæ. Ñêîë, ïëàñòè÷íîñòü è âÿçêîñòü êðèñòàëëîâ //Àòîìíûé ìåõàíèçì ðàçðóøåíèÿ. Ì.: Ìåòàëëóðãèÿ, 1963. Ñ. 220–250.
13. ×èâàíîâ À.Â. Çàëå÷èâàíèå òðåùèí â ÙÃÊ âîçäåéñòâèåì ìàëûõ äîç èîíèçèðóþùåãî èçëó÷åíèÿ // Êàíä. äèññ. Òàìáîâ. 2004. 160 ñ.
14. Òÿëèí Þ.È. Ìåõàíîýëåêòðè÷åñêèå ÿâëåíèÿ ïðè ðàçðóøåíèè íåìåòàëëè÷åñêèõ êðèñòàëëîâ // Êàíä. äèññ. Òàìáîâ. 1991. 153 ñ.
15. Áèëèáèí Ñ.Â., Åãîðîâ Â.Í., Êàöíåëüñîí À.À., Êîâàëåâ Â.È., Êîëåñîâà Í.Ñ., Ñèäîðîâ Þ.Ñ., Òêà÷åíêî Í.Ë., Ôàéçóëëîâ Ô.Ñ. Âëèÿíèå ïàðàìåòðîâ îïòè÷åñêîé îáðàáîòêè è ïðîöåññà åñòåñòâåííîãî ñòàðåíèÿ íà ãëóáèíó íàðóøåííîãî ñëîÿ è ëó÷åâóþ ïðî÷íîñòü ïîâåðõíîñòè ìîíîêðèñòàëëîâ KCl // Êâàíò. ýëåêòðîí. 1982. Ò. 9. ¹ 9. Ñ. 1912–1915.
16. Ãîðøêîâ Á.Ã., Äàíèëåéêî Þ.Ê., Ìàíåíêîâ À.À., Ïðîõîðîâ À.Ì., Ñèäîðèí À.Â. Ðàçìåðíûé ýôôåêò è ñòàòèñòèêà ëàçåðíîãî ðàçðóøåíèÿ ÙÃÊ íà l = 10,6 ìêì // Êâàíò. ýëåêòðîí. 1981. Ò. 8. ¹ 1. Ñ. 148–154.
17. Ñìèðíîâ Â.Í. Ñíèæåíèå ïîðîãà îïòè÷åñêîãî ïðîáîÿ âáëèçè ïîâåðõíîñòè ïëàñòè÷åñêè äåôîðìèðóåìîãî êðèñòàëëà // Ïèñüìà â ÆÒÔ. 1988. Ò. 14. ¹ 4. Ñ. 316–321.
18. Áåá÷óê À.Ñ., Ãðîìîâ Ä.À., Íå÷èòàéëî Â.Ñ. Ìåðà äåôåêòíîñòè ïîâåðõíîñòè è îïòè÷åñêàÿ ïðî÷íîñòü ïðîçðà÷íûõ äèýëåêòðèêîâ // Êâàíò. ýëåêòðîí. 1976. Ò. 3. ¹ 8. Ñ. 1814–1816.
19. Ôåäîðîâ Â.À., Óøàêîâ È.Â., Øåëîõâîñòîâ Â.Ï., Òîëñòîâà Ì.À. Ìîðôîëîãèÿ ïîâðåæäåíèé ìîíîêðèñòàëëîâ êàëüöèòà ïðè îïòè÷åñêîì ïðîáîå â øèðîêîì èíòåðâàëå òåìïåðàòóð // Âåñòíèê Òàìáîâñêîãî ãîñ. óí-òà. 1997. Ò. 2. ¹ 3. Ñ. 286–290.
10. Áëîìáåðãåí Í. Ýëåêòðè÷åñêèé ïðîáîé â òâåðäûõ òåëàõ ïîä äåéñòâèåì ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ // Êâàíò. ýëåêòðîí. 1974. Ò. 1. ¹ 4. Ñ. 786–805.
11. Äåðÿãèí Á.Â., Ìåöèê Ì.Ñ. Àäãåçèÿ òâåðäûõ òåë. Ì.: Íàóêà, 1973. 297 ñ.
12. Meyer K., Obrikat D., Rossberg M. Progress in triboluminescence of alkali halides and doped zink sulphides (II) // Krist. Techn. 1970. V. 5. ¹ 2. P. 181–205.
13. Áîåâ Ñ.Ã., Ôóðñà Ò.Â. Î ìåõàíèçìå ýëåêòðèçàöèè ìîíîêðèñòàëëîâ ëèòèÿ ïðè ðàñêàëûâàíèè // Ôèçèêà òâåðäîãî òåëà. 1986. Ò. 28. ¹ 7. Ñ. 2177–2180.
14. Ôèíêåëü Â.Ì., Ãîëîâèí Þ.È., Ñåðåäà Â.Å., Êóëèêîâà Ã.Ï., Çóåâ Ë.Á. Ýëåêòðè÷åñêèå ýôôåêòû ïðè ðàçðóøåíèè êðèñòàëëîâ LiF â ñâÿçè ñ ïðîáëåìîé óïðàâëåíèÿ òðåùèíîé // Ôèçèêà òâåðäîãî òåëà. 1975. Ò. 17. ¹ 3. Ñ. 770–776.
15. Ìàðêîâà-Îñîðãèíà È.À., Ñåí÷óêîâ Ô.Ä., Øìóðàê Ñ.Ç. Äåôîðìàöèîííàÿ ëþìèíèñöåíöèÿ êðèñòàëëîâ KCl-Ag // Ôèçèêà òâåðäîãî òåëà. 1972. Ò. 14. ¹ 5. Ñ. 1441–1443.
16. Zakrevskii V.A., Shuldiner A.V. Electron emission and luminescence owing to plastic deformation of ionic crystals // Philosophical Magazine B. 1995. V. 71. ¹ 2. P. 127–138.
78 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 2, 2008