WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 7 05;06;07 Влияние наноструктуры двухфазного стекла на пороги лазерного пробоя и процессы разрушения 2 © Н.Ф. Морозов,1 Ю.К. Старцев,1 Ю.В. Судьенков,1 А.А. Сусликов,1 Г.А. Баранов,2 А.А. Беляев 1 Санкт-Петербургский государственный университет, 198504 Санкт-Петербург, Россия e-mail: spm@unicorn.math.spbu.ru 2 Научно-исследовательский институт экспериментальной физики им. Д.В. Ефремова, 196644 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 2 сентября 2005 г.) Представлены результаты исследований лучевой и механической прочности одно- и двухфазных стекол при фокусировке наносекундных импульсов лазерного излучения ( = 1.06 µm, 0.5 12.5ns) в их объеме.

С помощью лазерного интерферометра измерены смещения свободной поверхности образцов, зарегистрированы пороги оптического пробоя, а также проведен фрактографический анализ зон разрушения. Прослежен нелинейный характер развития каналов пробоя и области разрушения в стеклах, обусловленный сменой физических механизмов, определяющих развитие оптического пробоя с ростом лазерной энергии. Показано, что при практическом отсутствии различий упругих свойств одно- и двухфазных стекол прочность последних более чем в 4 раза выше. Предполагается, что наличие двухкаркасной структуры нанометрового масштаба является основным фактором, определяющим столь значительное увеличение прочности двухфазных стекол при не столь заметном различии свойств составляющих их фаз.

PACS: 61.43.Fs, 62.20.-x, 79.20.Ds Двухфазные стекла, получающиеся из однофазного нической прочности от структур наномасштаба, вознистекла в результате метастабильной ликвации, пред- кающей в результате тепловой обработки однородного ставляют собой макрооднородный материал, в котором исходного материала.

характерные размеры фазовых образований составляют Известно [4,5], что при оптическом пробое прозрачнесколько десятков или сотен нанометров. Такого рода ных диэлектриков в поле наносекундных и субнаноматериалы, получаемые путем специальной термообра- секундных лазерных импульсов возникающая плазма создает интенсивный импульс давления, инициирующий ботки предварительно однофазного стекла, при удачном механическое разрушение объема материала вокруг каподборе состава и характера взаимного расположения фаз могут иметь свойства, которые невозможно полу- нала пробоя. Многочисленные исследования явления чить в материалах, состоящих из одной из фаз. В от- лучевой прочности однофазных стекол позволили получить довольно ясную физическую картину процесличие от традиционных композиционых материалов в са. Однако существующие теоретические модели как двухфазных стеклах композиция получается не механимеханических свойств микронеоднородных сред, так и ческим соединением отдельно приготовляемых веществ, явления оптического пробоя не позволяют рассчитать а формируется в результате специфического физикос удовлетворительной точностью термодинамические химического процесса в первоначально однородном вепараметры возникающей плазмы и, следовательно, знаществе [1].

чения напряжений, создаваемых в окружающей среде и Отметим, что свойства двухфазных стекол, применяприводящих к появлению трещин.

емы на практике, как и свойства любых других комДля получения информации о порогах как лучевой, позиционных материалов, в большой степени зависят так и динамической прочности объема прозрачных сред не только от свойств сосуществующих фаз, но и от и, в частности, стекол в [6,7] была предложена методика их взаимного расположения. Все многообразие структур измерения параметров упругих импульсов, образующихдвухфазных стекол с этой точки зрения можно разделить ся в результате поглощения средой энергии лазерного на два типа — капельная и двухкаркасная. В первом излучения.

случае одна из фаз образует замкнутые шарообразные области, которые распределены в матрице другой фазы, а во втором — обе фазы непрерывны и образуют Методика эксперимента взаимопроникающие структуры [2,3].

Использование таких стекол в оптике и в ряде дру- На рис. 1, a представлена блок-схема эксперимента.

гих практических задач делает актуальным проведение В экспериментах использовался лазер с длиной волисследований их лучевой и механической прочности. ны = 1.06 µm и длительностью импульса излучения Особый научный интерес представляет собой уникаль- 0.5 12.5 ns. Энергия излучения могла регулироватьная возможность получения данных о зависимости меха- ся в пределах до 125 mJ и измерялась калоримет54 Н.Ф. Морозов, Ю.К. Старцев, Ю.В. Судьенков, А.А. Сусликов, Г.А. Баранов, А.А. Беляев Каждое последующее облучение образца осуществлялось вдали от места предыдущего пробоя с плавным увеличением энергии. Такая методика позволяет с достаточной точностью определять порог оптического пробоя, а также сопоставлять характер и объем повреждения с величиной энергии облучения и данными о смещении поверхности образца.

Смещение поверхности образца в результате воздействия акустического импульса, генерированного лазерным излучением в области фокуса, для малых перемещений u(t) /10 равно i(t) u(t) = arccos, (1) 2 i где u(t) — смещение поверхности образца; —длина волны лазера интерферометра = 0.6328 µm; i(t) —ток на выходе фотоприемника интерферометра; i — изменение тока при смещениях, превышающих /4. Дифференцированием измеренных временных зависимостей смещения свободной поверхности образцов получали значения скоростей смещения, приведенные ниже.

Данные о скорости смещения v(t) поверхности в упругом приближении и предположении сферической симметрии задачи позволяют определить величину механической энергии, выделяющейся как при тепловом механизме воздействия импульсного излучения на прозрачную среду, так и при оптическом пробое.

Изменение механической энергии W при распростраРис. 1. a — блок-схема эксперимента (1 — ИАГ-лазер нении упругой волны можно представить [6]:

( = 1.06 µm, = 12 ns, E 120 mJ); 2 — фотодиоды; 3 — калориметр ИМО-2Н; 4 —линза ( f = 27 nm); 5 —образец;

6 — интерферометр; 7 — осциллограф TDS-754C); b — харак + 2µ W = endsdt = 4R2 vn(t)2dt, (2) терные импульсы излучения (кривая 1 —импульс облучения, cl 2 — прошедшее излучение; 3 — излучение плазмы).

t,s где — длительность импульса напряжений, R —расстояние от точки фокусировки импульсного лазерного ром ИМО-2Н. Образцы представляли собой полироизлучения до поверхности образца, и µ — коэффиванные параллелепипеды с размерами 505020 mm.

циенты Ламе, cl — продольная скорость звука, vn — Одна из плоскостей образца с предварительно нанемассовая скорость частиц. Отметим, что определяемая в сенным алюминиевым покрытием являлась зеркалом экспериментах скорость поверхности v = 2vn.

лазерного интерферометра Майкельсона со стабилизиОбразцы для исследований были изготовлены из стекрованной рабочей точкой и фотоэлектрическим счетом ла следующего состава: (mol.%) — 3.3 Na2O, 2.9 K2O, полос. Временное разрешение интерферометра было не 33.2 Ba2O3, 58.5 SiO2, 0.95 Al2O3, 1.2 PbO. Термообработхуже 2 ns.

ка этого стекла при температуре 800C, превышающей Излучение фокусировалось в объеме образца корот- температуру купола ликвации, обеспечивала получение кофокусной линзой ( f = 27 mm) через плоскость, ор- однофазного стекла указанного состава.

тогональную зеркальной, при этом фокальная область Образцы двухфазного стекла были получены в ресовмещалась с измерительным лучом интерферометра.

зультате специальной термообработки исходного одноКонтроль мощности лазерного излучения до и по- фазного стекла при 550C в течение 24 часов. Как после образца, а также временные параметры импуль- казали электронно-микроскопические исследования [3], са излучения плазмы оптического пробоя (рис. 1, b), структура полученных образцов представляет собой две осуществлялся вакуумными фотодиодами ФЭК-09, сиг- взаимопроникающие фазы (двухкаркасная структура) нал с которых использовался и для синхронизации приблизительно следующего состава (mol.%): химически регистрирующего тракта. Регистрация электрических нестойкая легкоплавкая фаза (1) — 15 (Na2O + K2O), сигналов осуществлялась осциллографом TDS-754C с 57 Ba2O3, 38 SiO2; высококремнеземная тугоплавкая фа f = 500 MHz. за (2) —0.5 (Na2O + K2O), 4.7 Ba2O3, 94.8 SiO2.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Влияние наноструктуры двухфазного стекла на пороги лазерного пробоя и процессы разрушения Таблица 1.

Материал 10-3, kg/dm3 cl, m/s E, GPa Однофазное стекло 2.245 ± 0.005 5130 ± 10 59 ± Двухфазное стекло 2.240 ± 0.005 5110 ± 10 58.5 ± Фаза 1 2.25 ± 0.05 4772 ± 65 52 ± Фаза 2 2.22 ± 0.02 5395 ± 25 66 ± Значения плотности и скорости звука в исследуемых образцах, представленные в табл. 1, показывают различия упругих свойств одно- и двухфазных стекол, не выходящие за пределы погрешностей их определения, различие физико-механических свойств фаз в двухфазных стеклах составляет 24% [2,3].

Результаты и обсуждение На рис. 2, a представлены характерные временные профили скорости свободной поверхности при пробое однофазного и двухфазного стекол. Обращает внимание некоторое различие длительностей положительных фаз импульсов, соответствующих сжатию, что, возможно, Рис. 3. Зависимости энергии упругих волн от энергии облучения в стеклах с различной микроструктурой (кривая 1 — однофазное, 2 — двухфазное стекло).

связано с различием микроструктуры однофазных и двухфазных стекол.

На рис. 2, b приведены зависимости максимальных значений скорости свободной поверхности образцов от величины энергии облучения. Разрыв на зависимостях v = f (E) (рис. 2, b) обусловлен переходом от термоупругого механизма генерации акустического сигнала к взрывному механизму при оптическом пробое образца.

Зависимости v = f (E) при энергиях облучения выше порога оптического пробоя существенно нелинейны, но характер их изменений подобен как для однофазных, так и для двухфазных стекол.

Влияние микроструктуры проявляется в различии порогов оптического пробоя. В двухфазном стекле порог пробоя на 30% выше, что согласуется с результатами работ по исследованию лучевой прочности подобных стекол [8,9] и связывается с уменьшением эффекта самофокусировки из-за влияния границ раздела фаз и разницы в показателях преломления фаз.

Рис. 2. a — характерные временные профили свободной На рис. 3, a представлены рассчитанные из экспериповерхности образцов; b — зависимости амплитуды скорости ментальных данных зависимости энергии упругой волны свободной поверхности от энергии облучения (кривая 1 — однофазное, 2 — двухфазное стекло). от энергии облучения, а на рис. 3, b — увеличенный Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 56 Н.Ф. Морозов, Ю.К. Старцев, Ю.В. Судьенков, А.А. Сусликов, Г.А. Баранов, А.А. Беляев Рис. 4. Характерный вид зон разрушения при E 39 mJ. a — однофазное, 2 — двухфазное стекло (верхние фотографии сделаны по направлению лазерного луча, нижние — нормально к нему).

фрагмент этих зависимостей в области малых значений гональных плоскостях. Значительно меньшие размеры энергии, где происходит изменение механизма генера- канала пробоя и области разрушения наблюдаются в ции упругих волн. двухфазном стекле.

Полагая, что энергия упругих волн равна измене- Проведение исследований в двух ортогональных плоснию внутренней энергии в области выделения энергии костях позволило с весьма высокой точностью опредеизлучения, в рамках теплового механизма и отсут- лить размеры канала пробоя при различных значениях ствия диссипации можно провести оценки оптического энергии облучения, а также оценить размеры областей поглощения исследуемых материалов из соотношения растрескивания вокруг канала пробоя, хотя и с больA = W /E. шей погрешностью. Данные, полученные усреднением Тогда для коэффициентов оптического поглощения из результатов по измерениям 5–7 зон разрушения, образависимости W (E) (рис. 3, b) получаем для однофазного зовавшихся при одной и той же энергии облучения, стекла A = 0.077 и 0.063% — для двухфазного, что представлены на рис. 5. На рис. 5, a приведены завидостаточно хорошо соответствует литературным данным симости изменения объемов канала оптического пробоя и согласуется с результатами, полученными в [6] для Vd(E) в одно- и двухфазных стеклах, а на рис. 5, b — кварцевого текла — A = 0.04%. Заметим, что такие зависимости объемов области растрескивания Vh(E).

оценки поглощения при энергиях облучения, превыша- Как видно, характер зависимостей Vd(E) и Vh(E) ющих порог пробоя, вряд ли достаточно корректны, так сохраняется для стекол с разной микроструктурой, но как возникающая при оптическом пробое плазма вносит количественные значения измеренных объемов значисущественные изменения в механим поглощения. тельно отличаются. На приведенных зависимостях отТаким образом, экспериментальные результаты пока- четливо выделяются три области с существенно различазывают, что влияние элементов микроструктуры, харак- ющимися производными dV /dE. Причиной этого являеттерный маштаб которых 102 nm, заметно сказывается ся последовательное включение различных физических на оптических свойствах и лучевой стойкости стекол. механизмов в процесс развития канала пробоя с ростом Существенный интерес представляют исследования энергии облучения.

зависимости развития канала оптического пробоя и Начальный, пологий, участок зависимостей Vd(E) области разрушения (растрескивания) от энергии об- в области малых значений энергии, составляющих лучения для стекол с разной структурой. Изучение E 23-52 для однофазного стекла и 38-63 mJ — для характерных особенностей разрушений в результате двухфазного, определяется собственно эффектом оптиоптического пробоя в объеме образцов с различной ческого пробоя — возникновением электронной лавины структурой проводилось на оптическом микроскопе. в фокальной области и, как следствие, образованием Типичный вид разрушений в объеме одно- и двух- плазмы. Второй участок с высоким значением dV /dE фазных образцов при одинаковых значениях энергии обусловлен возрастанием температуры плазмы пробоя облучения представлен на рис. 4, a, b, где приведены с ростом энергии излучения, что приводит к возникнофотографии зон разрушений, сделанные в двух орто- вению светодетонационной волны, распространяющейся Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Влияние наноструктуры двухфазного стекла на пороги лазерного пробоя и процессы разрушения навстречу излучению (E 50-90 для однофазного стекла и 65-100 mJ — для двухфазного). Этот эффект и является причиной быстрого увеличения объема канала пробоя.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.