МОДЕЛЮВАННЯ ЛАЗЕРНО-ІНДУКОВАНОГО ОПТИЧНОГО ПРОБОЮ ТВЕРДИХ ТІЛ

Обговорено основні особливості лазерного оптичного пробою речовини. Представлено та проаналізовано основні експериментальні дані для різних матеріалів та режимів лазерного опромінення. Спостерігається роль нелінійних та релаксаційних оптичних процесів. Вибираються три типи оптичного пробою: тепловий, плазмовий та прямий. Було показано, що ці процеси можна класифікувати як квантові (прямий оптичний пробій) та польові (плазмові та теплові). Проаналізовано фізико-хімічні, електродинамічні та акустичні аспекти цих явищ. Спостерігається порівняльний аналіз теорій та моделей, які використовуються для спостереження за цими процесами. Обговорюються також питання щодо основних застосувань лазерного оптичного пробою в сучасній оптоелектроніці та створення нових розділів лазерних технологій.

Для аналізу були вибрані експериментальні результати по лазерному пробою карбіду кремнію фемтосекундними імпульсами (тривалість імпульсу 130 фс, довжина хвилі опромінення 800 нм, густина енергії 300 нДж/імпульс, фокусування випромінюванняя проводилось через мікроскоп, мода ТЕМ₀₀) та хлориду калію наносекундними імпульсами СО₂-лазера (тривалість імпульсу 30 нс, довжина хвилі опромінення 10,6 мкм, густина енергії 2 Дж/імпульс, фокусування випромінюванняя проводилось за допомогою лінзи). В першому випадку утворювався лінійний каскад руйнувань з п’яти наноструктурованих областей.  В другому випадку отримано два лінійних канали  по 7 точок в кожному. Структурні дослідження в першому випадку проводились за допомогою електронної мікроскопії (роздільна здатність ~ 2-3 нм), в другому випадку звичайного фотографування  (роздільна здатність ~ 2-3 мкм). Відстані між группами руйнувань в першому випадку були ~ 2 мкм, в другому випадку ~  30 мкм).   

Наведено порівняльний аналіз теплової, плазмової та каскадної прямої моделі лазерно-індукованого пробою.  Суть теплової та плазмової моделей опттичного лазерно-індукованого пробою твердих тіл поля гає в тому, що поглинання на «бруді» дає затравочну концентрацію плазми (електронів), яка призводить до лавинного плазмового або теплового пробою [1]. При цьому пропущена сама процедура набору критичної концентрації, яка б мала включати цілий ряд процесів, що пов’язані з фокусуванням лазерного випрромінювання.

Виходячи з цих міркувань була розроблена пряма каскадна модель лазерно-індукованого пробою твердих тіл [2 – 4].

Отже, ланцюжок процесів, який врешті-решт обумовлює оптичний пробій є наступним [2 – 4]:

1. Дифракційне розшарування падаючого випромінювання. Для моделювання була вибрана модель дифракційних кілець Релея. Для карбіду кремнія достатньо було п’яти кілець, для хлориду калію – семи. Це дозволяє пояснити число груп в каскаді руйнування. Воно залежить від довжини хвилі та кута фокусування випромінювання.
2. Фокусування кожного кільця відбувається під одним і тим же кутом. Іншими словами проходить просторове дифракційне розшарування пучка. Фокуси розташовані на відстані пропорційній довжині хвилі та обернено пропорційні тангенсу половинного кутиа фокусування. З цих міркувань пояснено відстані між групами каскадів для обох матеріалів.
3. Кожен конус відповідного дифракційного кільця є джерелом оптично-індукованого черенковського випромінювання. Для моделювання були синтезовані макроскопічна модель І. Голуба та мікроскопічна модель Нільса та Оге Борів черенковського випромінювання.  При цьому твірні конусу черенковського випромінювання перпендикулярні до твірних конусі фокусування. Той факт, що джерелом цього випромінювання є лише шар з товщиною дифракційного кільця дозволяє пояснити поверхневу природу черенковського (конічного) випромінювання.
4. Оптичний пробій обумовлений інтерференцією короткохвильової частини спектру черенковського випромінювання. Це пояснюється довжиною треків пробою, з них приблизно можна визначити показник заломлення, що відповідає області власного поглинання опроміненого матеріалу (фіолетова та ультрафіолетова області спектру). Енергетичний розрахунок показує, що на пробій по такому сценарію витрачається 8 – 15 відсотків падаючої енергії.
5. Розміри та форми нановоїдів визначаються за допомогою модифікованої моделі Релея та методів механіки пружного тіла.

        Таким чином, при оптичному лазерно-індукованому пробої твердих тіл ми повинні враховувати каскадні процеси трансформації випромінювання, які й обумовлюють оптичний пробій [2 – 4].

1. Вейко В.П., Либенсон М.Н., Червяков Г.Г., Яковлев Е.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. Силовая оптика. – Москва: Физматлит, 2008. – 312 с.

2. Trokhimchuck P. P. Optical breakdown in matter: retrospective and perspective. In: Advanced in Engineering Technology, vol. 3. – New Delhi, AkiNik Publications, 2020. – Р. 101-132.

3. Trokhimchuck P.P. Relaxed Optics: Modeling and Discussions, Saarbrukken, Lambert Academic Publishing, 2020. – 249 p.

4. Трохимчук П. П. Нелінійні динамічні системи. – Луцьк; Вежа-Друк, 2020. – 316 с