Лучевая стойкость и особенности разрушения металлических зеркал при импульсном воздействии лазерного излучения Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.373

ЛУЧЕВАЯ СТОЙКОСТЬ И ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

© Ю.В. Судьенков

Россия, С. -Петербург, Институт математики и механики ГУ

Sud’enkov Y.V.Radiation resistance and peculiarities of metal mirrors deformations under laser action. The results of experimental investigation on periodic structure formation on metal mirrors surfaces under laser action (the wavelengths are 10,6 ym and 1,06 pm) are presented. Al- and Cu-mirrors of different treatment technology, Cu-mirrors on Si-carriers and steel mirrors are studied. The interferometer method of surface thermo-deformation registration permits measuring the dependence of average temperature in the irradiated region and absorption coefficient from laser energy with a high accuracy. Photo-registration permits inspecting the irradiated region state after each pulse.

Традиционно за порог лучевой стойкости оптических элементов принимается интенсивность излучения, приводящая к возникновению оптического пробоя у поверхности. Более корректно за порог лучевой стойкости считать интенсивность, при которой начинает происходить необратимое изменение оптических характеристик поверхности, в первую очередь, поглощательной способности, которое обусловлено перестройкой и развитием структурных дефектов поверхностного слоя. Именно этот порог и будет определять долговременную работоспособность оптических зеркал. Наиболее точная и полная информация о процессах взаимодействия лазерного излучения с оптическими элементами, их поглощательной способности и луче-

Рис. 1. Зависимость итах, А, 57 поверхности медного зеркала от плотности мощности облучения

Медь

Алюминий

'ща*. V.щ|ggps .л'

« ^^Цй| Ш '.

~ - г • - •

Tpl?*Т-О У'ji~‘У-'• •J

Сталь

Рис. 3. Возникновение ППС и «лазерное травление» границ зерен в стали

Рис. 4. Фрагмент ППС на стали и профилограмма поверхности

вой стойкости может быть получена при измерениях параметров термомеханического процесса непосредственно в зоне воздействия излучения [1].

В работах [2, 3] было показано, что измерения смещения (итах) облучаемой поверхности позволяют рассчитать поглощательную способность образца (А) и прирост температуры (57) поверхности:

A = Umax cp (1 - v) / а (1 + v)Es ; ST = (1 - v) Umax / (1 + v)a (a 4)b

(1)

Рис. 2. Фрактограммы разрушения поверхности зеркал

где с - теплоемкость, р - плотность, V - коэффициент Пуассона, а - коэффициент теплового расширения, Е -плотность энергии облучения, а - температуропроводность, ґи - длительность импульса излучения.

Смещение поверхности металлических зеркал с размерами 0 20-80 мм и h = 10-20 мм измерялось в центре зоны лазерного воздействия стабилизированным интерферометром Майкельсона с фотоэлектронным счетом полос. Чувствительность интерферометра была порядка 0,1 нм при временном разрешении не хуже 3 нс. Исследования проводились при облучении зеркал с X = 1,06 мкм и длительностях импульса т = 7 нс и 25 нс, а также с X = 10,6 мкм и т = 350 и 2500 нс. В обоих случаях общая картина процессов сохранялась, отличаясь в основном лишь количественно. Характер разрушений исследовался с помощью микроскопа ММР-4 и зондового микроскопа SPM-4.

На рис. 1 приведены зависимости максимального смещения (Цпах), поглощательной способности (А) и прироста температуры (57) поверхности медного зеркала от плотности мощности облучения с X = 1,06 мкм и т =25 нс. Снижение поглощательной способности при малых интенсивностях излучения сопровождалось удалением слабо связанных с поверхностью дефектов (окисные и жировые пленки и т. д.) без нарушения качества отражающей поверхности. После «лазерной очистки» значение А остается постоянным до значений интенсивности I, и далее начинает увеличиваться с ростом мощности облучения. При этом значение А изменяется необратимо, то есть превышает значение Амин. при повторных облучениях с интенсивностью значительно ниже !п.

Помимо группы дефектов, удаляемых в процессе «лазерной очистки», реальные поверхности характеризуются множеством структурных дефектов поверхностного слоя (дислокации, точечные дефекты и т. д.), перестройка и динамика развития которых определяется тепловым полем, наведенным лазерным излучением. Они и определяют реальное значение А металлических зеркал, лучевую стойкость, а также характер и особенности разрушения их поверхности.

Начало нелинейного роста А при превышении интенсивности облучения значений !п соответствует началу значительной перестройки и развития дефектной структуры поверхностного слоя, что приводит в дальнейшем к появлению микроразрушений в их окрестности. Таким образом, значение !п и является истинным порогом лучевой стойкости металлических зеркал.

Микроразрушения металлов с высокой теплопроводностью (алюминий, медь, их сплавы) характеризуются появлением пор по линиям скольжения, обусловленных пластическими деформациями либо в результате подготовки заготовок (прокат), либо в результате обработки поверхности (алмазная проточка или фрезеровка). На рис. 2 представлены характерные фрактограммы разрушения поверхности зеркал из алюминия и меди.

Характер разрушений в значительной мере зависит от теплопроводности материалов. Особенности деградации поверхности проявляются при облучении образцов с малой теплопроводностью. Для стальных зеркал характерной особенностью (рис. 3) является «лазерное травление» границ зерен и возникновение поверхностных периодических структур (ППС) Эти процессы проявляются при температурах <0,57плав. Возникновение ППС характерно и для зеркал с медными или алюминиевыми покрытиями в 3-10 мкм на подложке из кремния, т. е. с уменьшенным теплоотводом по сравнению с массивными образцами.

На рис. 4 приведен фрагмент ППС на стали, полученный в атомно-силовом режиме работы зондового

микроскопа SPM-4. Там же представлена профилограмма поверхности. Характерный период наведенной тепловым полем решетки коррелирует с длиной волны излучения (X = 1,06 мкм) лазера.

Следует отметить, что современные модели описания возникновения ППС [4-6] даже качественно не очерчивают области термомеханических (температура, напряжения и т. д.) величин и теплофизических параметров материалов (теплопроводность, теплоемкость и т. д.), в которой возможна генерация периодических структур.

Полученные результаты исследований подтверждают (при облучениях как с X = 1,06 мкм, так и X = = 10,6 мкм) факт влияния температурной решетки, наведенной за счет интерференции падающего и отраженного излучений на шероховатостях поверхности. В то же время результаты показывают, что температура поверхности при возникновении ППС не достигает и

0.57.лав, т. е. плавление и возникновение капиллярных волн не является необходимым условием возникновения ППС. Факт отсутствия генерации ППС в объемных образцах из материалов с высокой теплопроводностью (медь, алюминий) и, в то же время, возможность их генерации в тонких слоях (с толщинами от 3 до 10 мкм) тех же материалов при снижении теплоотвода за счет подложки с низкой теплопроводностью, позволяет сделать вывод об определяющем значении градиента температуры у поверхности в наборе условий, определяющих генерацию ППС и, по-видимому, существенную роль диффузии дефектов в приповерхностном слое, приводящую в совокупности с механическими напряжениями в слое к потери его устойчивости. При этом период возникающих ППС обусловлен как периодом наведенной тепловой решетки, так и характерным размером слоя, в котором достигается критический градиент температуры. На рис. 3 наблюдается увеличение характерного размера концентрических ППС при приближении к центру их возникновения -дефекту, температура и глубина прогрева материала вокруг которого была выше.

ЛИТЕРАТУРА

1. Балошин Ю.А., Судьенков Ю.В., Юревич В.И. Измерение коэффициентов поглощения металлических зеркал с повышенной точностью // Тез. докл. VII Всесоюз. конф. по взаимод. оптич. излуч. с веществом. Л., 1988. С. 470-471.

2. Baloshin Yu.A., Sud'enkov Yu.V., Yurevich V.I. Slow thermodeformation of metals with fast laser heating // SPIE. 1990 V. 1440. P. 71-77.

3. Судьенков Ю.В., Юревич В.И. Измерение коэффициента поглощения селенида цинка бесконтактным фототермическим методом // Изв. РАН. Т. 57. Вып. 12. С. 160-166.

4. Самохин А.А., Сычугов В.А., Тищенко А.В. Механизмы формирования периодических структур при воздействии излучения на поглощающие конденсированные среды // Квант. электр. 1983. Т. 10. № 10. С. 2139-2141.

5. Коротеев Н.И., Шумай И.Л. Физика мощного лазерного излучения. М.: Наука, 1991.

6. Morozov N.F., Paukshto M.V. The interpretation of surface defects by AFM // Abstr. International Conf. and Exibition Micro Materials (Micro Mat ‘97). April 16 - 18 1997. Berlin, 1997.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа поддержана грантом РФФИ № 98-01-00340 и программой Университеты России.