Исследование деформаций, индуцированных в твердом теле лазерным излучением, проводятся достаточно активно в рамках изучения физики взаимодействия световых полей с веществом [1]. Зеркальные пленочные структуры, в которых под действием интенсивного излучения происходит термоиндуцированное рельефообразование, могут быть основой создания микромеханических устройств для защиты оптико-электронных приборов и систем от поражающего лазерного излучения. Известно применение фазовой рельефографии для записи оптической информации, а также в динамической голографии [5]. Это делает актуальным исследование светоиндуцированных механизмов модуляции рельефа [1-3].
Цель исследования
В данной работе исследован механизм образования рельефа на поверхности полимерной пленки, обусловленный тепловой деформацией пленки при ее нагреве падающим излучением. В экспериментах использовалась полимерная пленка толщиной 80 мкм, с коэффициентом зеркального отражения вблизи нормального угла падения 6% и коэффициентом пропускания света 0,25%. В результате воздействия падающего на пленку излучения гелий-неонового лазера (мощность – 60 мВт, длина волны l=633 нм) на поверхности пленки возникала область с выпуклой отражающей поверхностью (рис. 1).
Рис. 1. Схема эксперимента: 1- лазер; 2 - полимерная пленка; 3 - экран; 4 - фотокамера; 5 - персональный компьютер
Отраженный пучок значительно увеличивал свою расходимость, что регистрировалось на экране (рис. 2).
Оптическая сила 
образованного под воздействием луча лазера сферического зеркала рассчитывалась по следующей формуле:
, (1)
где 
– радиус кривизны поверхности, 
– радиус пучка на экране, 
– исходный радиус пучка.
Рис. 2. Самовоздействие излучения He-Ne лазера при отражении от поверхности полимерной пленки: а1-а4 – фотографии пятна на экране (временной интервал между кадрами 0,5 с)
По полученным экспериментальным значениям построен график зависимости величины от времени (рис. 3) и от интенсивности падающего излучения (рис. 4). В области больших интенсивностей (более 20 мВт) деформация приобретает необратимый характер (что видно на последнем рисунке как резкое возрастание оптической силы). В то же время для малых интенсивностей остаточная деформация не регистрировалась после тысячи циклов нагрева.
Теоретическая модель термозеркала
Рассмотрим простейшую модель термозеркала, в которой светоиндуцированное расширение тонкой пленки приводит к соответствующей ее деформации, при этом для малых деформаций можно пренебречь термоупругими напряжениями.
Решим сначала тепловую задачу в предположении, что теплоотвод от поверхности пленки конвективный и теплопередача вдоль пленки пренебрежимо мала. Тогда задача становится одномерной:
, (2)
где 
– удельная теплоемкость материала пленки, 
– плотность материала, 
– толщина пленки, 
– коэффициент конвективной теплоотдачи, 
– температура воздуха, 
–коэффициент френелевского отражения, 
– поперечное распределение интенсивности падающего на пленку гауссова пучка, 
– радиус гауссова пучка. Считаем пленку тонкой, так что температура ее на противоположных гранях одинакова.
Решение (2) выглядит следующим образом:
, (3)
где 
– время тепловой релаксации.
Высоту деформации пленки в отсутствии термоупругих напряжений можно аппроксимировать следующим выражением:
, (4)
где 
– высота рельефа, 
– коэффициент линейного теплового расширения материала, 
– разность температур пленки в поле излучения и начальной.
Оптическая сила сферического зеркала связана с радиусом его кривизны, для которой из (2-4) в стационарном режиме можно получить выражение:
. (5)
Оценки времени установления температуры и характер зависимости кривизны пленки от интенсивности соответствуют экспериментальным величинам, что подтверждает правомерность применения предложенной модели. Температура нагретой пленки регистрировалась термографом. Для экспериментальных значений = 20О K, ≈10-5 K-1, = 0.002 м, получим 
1 м-1, что также соответствует эксперименту.
Выводы
Таким образом, предложенная модель адекватно описывает основные стороны исследуемого явления. Значительная эффективность рассмотренного механизма образования рельефа делает его перспективным для разработки оптических дефлекторов, нелинейно-оптических преобразователей пространственной структуры излучения [1], а также для применения в оптических методах диагностики материалов [2-5]. Такое светоуправляемое зеркало может служить адаптивным элементом в различных оптических приборах. Зеркальные пленочные структуры могут быть использованы для компенсации тепловой линзы в устройствах нелинейной оптики на основе тонкослойных жидкофазных сред [6-10].
Рецензенты:
Карпец Ю.М., д.ф.-м.н., профессор по кафедре физики, профессор кафедры физики и теоретической механики ФГБОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения, г. Хабаровск;
Криштоп В.В., д.ф.-м.н., профессор по кафедре физики, проректор по учебной работе ФГБОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения Министерства транспорта РФ, г. Хабаровск.