10.1.2. Взаимодействие лазерного излучения с веществом

Взаимодействие лазерного излучения с веществом – круг физических явлений и их прикладных аспектов, связанных с воздействием лазерного излучения на различные объекты (среды).

С помощью линз и зеркал лазерное излучение может быть сфокусировано на площади чрезвычайно малых размеров (до нескольких микрометров). При этом достигаются огромные значения плотности мощности: для лазеров непрерывного режима – до 10⁶ Вт/см², импульсного режима – до 10⁹, 10¹² и 10¹⁵ Вт/см² соответственно при милли-, нано- и пикосекундных длительностях импульсов. С помощью излучения такой мощности можно плавить и испарять металлы, стекло, керамику, сапфир, алмаз и т.д. При дозированном воздействии лазерного излучения на вещество осуществляются сварка, пайка, закалка различных деталей, сверление отверстий, резка листовых материалов.

Воздействие коротких мощных импульсов лазерного излучения на твёрдые и газообразные среды вызывает их ионизацию, эмиссию электронов с поверхности, образова­ние плазмы, появление мощной световой вспышки (лазер­ной искры), образование ударных волн за счёт интенсивного поглощения плазмой значительной части энергии падающего лазерного излучения и другие эффекты.

При воздействии лазерного излучения на прозрачные вещества наблюдаются нелинейные оптические явления. Так, в нецентросимметричных нелинейных кристаллах (ниобате лития, иодате лития, дигидрофосфате калия, дигидроарсенате цезия и др.) под действием лазерного излучения возникает генерация второй оптической гармо­ники. Для эффективного преобразования лазерного излучения во вторую гармонику в двупреломляющих кристаллах выбирают такое направление, для которого фазовые скорости падающей волны и волны второй гармоники совпадают (направление так называемого фазового синхронизма).

В современных удвоителях частоты удаёт­ся при модуляции добротности преобразовать во вторую гармонику свыше 50 % мощности падающего лазерного излучения. Генерация оптических гармоник существенно расширяет спектральный диапазон лазерных источников. На нелинейных кристаллах, возбуждаемых лазерным излучением, возможно создание параметрических генераторов света; эти устройства позволяют преобразовывать лазерное излучение в излучение с более низкой частотой, которую можно плавно перестраивать, поворачивая кристалл или меняя его температуру.

При распространении мощного лазерного излучения в жидкостях и твёр­дых телах можно наблюдать явление вынужденного комбинационного рассеяния. Часто­та рассеянного излучения сдвигается по отношению к часто­те падающего лазерного излучения на значение частоты молекулярных колебаний или характерных колебаний решётки

кристалла. В этих же средах под воздействием лазерного излучения наблюдается также рассеяние Мандельштама – Бриллюэна, при котором спектр рассеянного излучения сдвинут по отношению к падающему на значение частоты акустических колебаний, воз­буждаемых в среде синхронной световой волной.

К инте­ресным нелинейным эффектам, возникающим при взаимо­действии лазерного излучения с веществом, относится явление обращения вол­нового фронта, при котором рассеянное лазерное излучение направлено строго в обратном направлении по отношению к падаю­щему лазерному пучку и повторяет все особенности последнего.

При распространении мощного лазерного излучения в прозрачных веществах часто наблюдаются эффекты самовоздействия лазерного пучка, приводящие к самофокусировке света или его само­дефокусировке. При самофокусировке мощный лазерный луч воздействует на первоначально однородное вещество, вызы­вая возрастание показателя преломления, так что в веществе образуется наведённая лазерным излучением эквивалентная линза, которая изменяет направление распространения лазерного пучка.

Явление самофокусировки ограничивает предельную мощ­ность лазерного пучка, пропускаемого прозрачными среда­ми, вызывая «охлопывание» световых пучков, мощность которых превышает так называемую критическую мощность самофокусировки. «Охлопывание» сопровождается световым пробоем про­зрачного твёрдого диэлектрика (возникновением плазмы, ударных волн, механическим разрушением прозрачных материа­лов).

Световой пробой, сопровождаемый