Способ определения радиуса эффективного пятна облучения

 

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для определения радиуса эффективного пятна облучения Рэ в обьеме прозрачного диэлектрика, облучаемого лазерным пучком, что необходимо для решения прикладных задач силовой оптики, в частности для расчета объемной оптической прочности материалов , используемых в качестве элементов оптических систем мощных лазеров. Цель изобретения - повысить точность определения R3 в объеме прозрачного материала с показателем преломления п. Для этого подбирают образец материала, показатель преломления которого бтизок к n, a концентрация поглощающих включений С удовлетворяет условию C(Fo в)3 (Fo - фокусное расстояние линзы в среде с , О - значение угла расходимости лазерного пучка), затем фокусируют излучение в объем образца, далее образец облучают импульсами лазерного излучения с плотностями энергии Qi...Qk, лежащими в интервале

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

tsi>s G 01 N 21/17

ГОСУДАРСТВЕНЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4701710/25 (22) 28.03.89 (46) 23.03.93. Бюл. ¹ 11 (71) Всесоюзный научный центр Государственный оптический институт им, С.И.Вавилова" (72) В.Il.Крутякова и В.Н.Смирнов (56) Хирд Г. Измерение лазерных параметров, М.: "Мир", 1970, с. 44 — 74.

Glnllano С.R.. Iseng D.Y. Damage in

lithium lodate with and without second

garmonic generation. — "Laser Induced

damage in optical materials". NBS Spec.

Publ., 1973. р, 84 — 90, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИУСА

ЭФФЕКТИВНОГО ПЯТНА ОБЛУЧЕНИЯ (57) Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для определения радиуса эффективного пятна облучения Рэ в объеме прозрачного диэлектрика, облучаемого лазерным пучком, что необходимо для решения прикладных задач силовой оптики, в частности для расчета объемной оптической прочности материалов, используемых в качестве элементов оптических систем мощных лазеров. Цель изобретения — повысить точность определеСпособ относится к квантовой электронике и предназначен для определения радиуса эффективного пятна в объеме прозрачного материала. облучаемого лазерным пучком. Знание размера пятна в объеме материала необходимо при решении прикладных задач силовой оптики, в частности при расчете объемной оптической прочно„„БЦ „„1685146 А1 ния R> в объеме прозрачного материала с показателем преломления и. Для этого подбирают образец материала, показатель преломления которого близок к и а концентрация поглощающих включений С удовлетворяет условию C>(Fo О) (Fo — фокусное расстояние линзы в среде с п-1, 0 — значение угла расходимости лазерного пучка), затем фокусируют излучение в объем образца, далее образец облучают импульсами лазерного излучения с плотностями энергии Q>...Qk, лежащими в интервале

Q*

1685146

r, радиус R> эффективного пятна облучения по определению есть й;-(2 ) f(r) r dr))

1/2

Известны различные способы измерения размеров R>. В одних способах измеряют долю проходящего излучения для ряда фиксированных положений преграды, перемещаемой перпендикулярно оси пучка, и вычисляют на основе полученных данных функцию распределения энергии и радиус эффективного пятна облучения Ra, Чаще других для этого используют преграду с отверстием или щелью, размеры которых малы по сравнению с размером пятна, а также преграды в виде непрозрачного экрана или проволоки. Другая группа методов основана на получении зависимости размеров пятен ожогов непрозрачных материалов с низкими порогами повреждения (часто для этих целей используют засвеченную фотопленку) от полной энергии в импульсе излучения, изменяемой введением в пучок фильтров с известным пропусканием.

Во всех существующих экспериментальных методах размер пятна непосредственно можно измерять только для случая фокусировки излучения на поверхность(материала, преграды), обычно находящуюся на воздухе, Известно, что при переходе от фокусировки на поверхности к фокусировке в объем материала с показателем преломления и, фокусное расстояние линзы, с помощью которой осуществляется фокусировка в обьем материала, изменяется.

Таким образом, недостатками существующих методов является невысокая точность определения размера пятна облучения в обьеме материала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ, сущность которого заключается в следующем. Поверхность непрозрачного материала с низким порогом образования сплошного поврежден1 я (ожога) при лазерном воздействии последов тельно облучаег (каждый раз новое место) лазерным пучком с энергией в импульсе Е =Тк Ео (Ео— полная. энергия в импульсе, Tk — пропускание ослабляющего фильтра в k-м импульсе).

Для этих целей обычно используют засвеченные и обработанные пленки, фотобумагу или другие легкоповреждаемые материалы.

Обработка полученных данных- наиболее проста для пучков с аксиальной симметрией, для которых распределение энергии по сечению пучка зависит лишь от r. Тогда для плотности энергии (в точках, удаленных от оси пучка на r) Q(r)=f(r) Оо (где О0 — плотность энергии на оси пучка, а f(r) — функция распредег ения, удовлетворяющая условию

f(0)=1). В этом случае для точек, ограничивающих область сплошного повреждения, по5 сле воздействия пучка через фильтр с пропусканием, Тк. Qo f (г )Т =О*, (О* — порог повреждения материала), а для пятна с минимальными размерами, пол10 ученного при использовании фильтра с минимальным пропусканием, То,ОоТо=О*. Иэ этих соотношений получают, что f(rk)=To/Tl<.

Таким образом, измерив радиусы областей сплошного повреждения П<, зная пропуска15 ние фильтров, строят зависимость То/Т от

ry (для всех значений k), которая является функцией распределения f(r). Величину R3 определяют после выполнения измерений в нескольких точках и построения кривой, 20 проходящей через эти точки, путем численного интегрирования.

Недостаток метода состоит в невысокой точности определения размера пятна н обьеме исследуемого материала.

Целью изобретения является повышение точности измерения размера эффективного пятна облучения в объеме прозрачного материала.

Изобретение поясняется чертежом, на

З0 котором приведена зависимость радиуса области повреждения г (мм) от отношения пропускания фильтров Tp/Tk. Кривая 1 соответствует измерениям по изобретению, кривая 2 — в соответствии с прототипом.

Сущность изобретения заключается в следующем. Известно. что в большинстве практически важных случаев оптический пробой в обьеме прозрачного материала инициируется нагревом поглощающих

40 включений (ПВ). При облучении прозрачного материала импульсами лазерного излучения с интенсивностью выше некоторого порогового значения О*, при попадании хотя бы одного ПВ в область каустики фокуси45 рующей линзы в обьеме материала образуется микроразрушение, как установлено экспериментально, при интенсивности облучения, превышающей О* в 5-10 раэ, возникает катастрофическое макрораэрушение. Если условия облучения таковы, что концентрация f1B в материале С удовлетворяет условию, при котором С>(Го О) 3 (Fo— фокусное расстояние линзы в среде с показателемм преломления и= 1, 0 — угол расхо55 димости лазерного излучения), при О О* в эбьеме материала в фокальной плоскости линзы возникает несколько микроразрушений, каждое иэ которых обусловлено сверхпороговым нагревом ПВ. В этом случае в

1685146 объеме материала образуется область повреждения, состоящая иэ нескольких, случайным образом расположенных в фокальной плоскости линзы микроразрушений. Например, в виде полостей размерами

10 мкм. Граница этой области rtt будет соответствовать возникновению микроразрушения при интенсивности О*, а изменение ее размеров при изменении интенсивности на оси пучка Оо в пределах

О*=(5-10)Q* будет определяться законом изменения О(г). Верхняя граница значений интенсивности (5-10)О*, соответствующая образованию макроразрушения. обусловлена тем, что размеры макроразрушений в объеме прозрачного материала (в отличие от размеров области повреждения поверхности непрозрачных легкоповреждаемых материалов, используемых в вышеперечисленных способах для определения Rs на воздухе) непредсказуемо меняются при изменении интенсивности и поэтому не могут быть использованы для измерения Яэ в обьеме материала.

Способ реализуется следующим образом.

Для определения радиуса облучаемого пятна в объеме материала в произвольном сечении лазерного пучка, фокусируемого линзой с фокусным расстоянием Fo, образец облучают импульсами лазерного излучения с плотностью энергии Q(r)=Qpf(r). При этом плотность энергии на оси пучка Qo

30 должна быть выше порога микрораэрушений в объеме материала 0*, но ниже порога 35 катастрофического макроразрушения (последний обычно составляет (5-100*)). Для выполнения измерений необходимо, чтобы выполнялось условие, при котором

C>(Fo 0) (Fo — фокусное расстояние линзы, 40

-э

Π— угол расходимости лазерного пучка). В случае, когда свойства материала, в котором надо измерить Вэ, удовлетворяют этому условию, для измерений можно использовать образец, изготовленный из этого мате- 45 риала. В противном случае измерения следует проводить на образце того же (или другого материала с близким значением и), в котором в силу, например, более высокой концентрации примесей, приводящих к об- 50 разованию ПВ (например, кремния в NaCI u

KCl), концентрация последних высока. Поскольку при измерении R> на практике обычНо считается удовлетворительной погрешность 20%, в случае использования 55 другого материала необходимо, чтобы его показатель преломления не отличался от показателя преломления исследуемого материала более, чем íà 10%. Облучая обраэец несколько раз (каждый раз новое место) импульсами лазерного излучения с различными значениями QII, лежащими в пределах вышеуказанного интервала Q <ОЯ5-10)Q*, измеряя для каждого случая lk и отношение пропускания ослабляющих фильтров To/Òk, строят зависимость 1(г1). затем так же, как и в прототипе определяют Нэ методол1 числе»ного интегрирования выражения

R3=(2 ) f(r) r dr)

При этом число облучений остается таким же, как 11 в базовом методе, однако возрастает точность определения 11з в обьеме материала.

Для пучка с гауссовыл1 распределением интенсивности 0(r)=-Qpexp(-г /ro"), как указано выше, R>=lp. В этом случае достаточно облучить образец двумя импульсами с плотностями энергии QI=T1Qo и 02-Т20о. Условия облучения, как и в первом случае, должны быть таковыми, Itobu значения плотности энергии на ос» пучка 01 и 02 заведомо превышали 0 . При этом область повреждения л1атериала, состс тщьл иэ отдельных микроразруше»1;11, в фокаль»ой плоскости линзы ограниче»а окружностью, на которой выполняется условие

Q*=0ppxp(-г* /го ). Граница этой области г+

*2 2 определяется как г* =-го tn(0n/0*), Проведя измере»ия rl*, rz при Г1 и Т2, радиус гауссового пучка га»аходят из выражения, получаемого исключением Q* из предыдущего соотношения го((г1"—

„г

) /I n(T l /ò2)) . Oct o p» oe yen o p L1p, 11а к l 3*2 1/2 дываемое на С, может быть получено из требования, при котором бьt гт обьеме облучаемой области радиусом г и дл11»ой tl o середине интервала 0*< О< (5-10)0*, т,е.

tn0p/Q I, число микроразруше»нй N=2 лт 2ЬС» 1, т,е. л го tIC» l. Выбирая Ь==2го, получаем 2г го С»1, В случае ттегауссового з

ПУЧКа ВМЕСТО ГО ВЫбИРаЮт Рт. 1 СКОтОРЫйт произвол в получении удобного ус Ioвия для

С допустим, поскольку необ::од тл1о чтобь1

N»1, Удовлетворяет ли Ita; .Ä.;I.- это у;словию, выясняется при первых:;о измере»иях, позволяющих грубо оце» 1ть Кз»ли Io, Предлагаемый способ опробова» для измерения размера пучка импульclloto COz — лазера в обьеме хлористого I:pòptlë. Иэлiче»ие фокусировалось линзой с фокус»ым расстояниел1 G00 мм на глуби»у 200 мл1 в обьем образца. Образец илготаттл»валст1 иэ хлористого»атрия с ко11центрацией

ПВ l0 см . При этом выпол»ялось услоа -з вие, при котором C>(Fp 0) (() пр1тттттл1алось

-3 равным 10 — это его пределы»ое паспорт-з

1685146 ное значение для лазера, с помощью которого проводились измерения). Для ослабления интенсивности использовался набор калиброванных фильтров, изготовленных из полиэтиленовой пленки, фтористого кальция и фтористого бария. Порог возникновения микроповреждений в объеме образца составлял 5 МВт/см, интенсивность облучения 6-48 МВт/см . При таких условиз ях облучения в фокальной плоскости линзы в объеме образца формировалось от 5 до

100 микрораэрушений размерами 10-20 мкм. Для построения зависимости f(r) было проведено 12 облучений с измерением во всех случаях значений To/Òk и величины г .

Размер эффективного облучения пятна

Йэ-{2 7o f(r) г dr) e обьеме образца составил 0,6+0,1 мм.

Поскольку пучок был гауссовым, измерения размера облучаемого пятна проводились и с помощью приведенного выше выражения, В этом случае путем многократных измерений получено значение

r,6+0,1 мм.

Полученные значения R и ro отличались (были выше на 20 ) от результатов измерения радиусов ожогов засвеченной фотопленки для 12 значений интенсивности с последующим определением f(r).

Формула изобретения

Способ определения радиуса эффективного пятна облучения преимущественно в объеме прозрачного материала, заключающийся в том, что облучают образец, выполненный из исследуемого материала или пробного материала с порогом, не превышающим порог разрушения исследуемого материала, последовательностью К импульсов сфокусированного лазерного излучения с плотностями энергии 01, где I-1...К, измеряют значения радиусов г1 областей повреждения, вычисляют значения величин

5 f(r1)-Qt/01 для 1-1...К. аппроксимируют полученные значения функцией f(r) распределения энергии в пятне облучения и вычисляют путем численного интегрирования радиус Rs эффективного пятна облуче10 ния R>+2 /от(г)rdr), oтлиwaющvйc я тем, что, с целью повышения точности определения Я, облучению подвергают образцы материала, показатель преломле15 ния которого отличается от показателя преломления исследуемого материала не более, чем на 10 . а концентрация поглощающих включений С удовлетворяет условию C>(Fo0) з. где Fo — фокусное расстояние линзы, фокусирующей лазерное излучение в среде с показателем преломления, равным 1, 0 — расходимость лазерного излучения, перед измерением радиусов областей повреждений дополнительно облучают образец импульсами лазерного излучения с различной плотностью энергии и определя+ ют величину 0 порога возникновения в обьеме образца микроразрушений от включений, причем при измерении радиусов областей повреждений лазерное излучение фокусируют в обьем образца на расстояние ! от его поверхности, а облучение проводят излучением с плотностями энергии Оь удовлетворяющими соотношению Q*< Qi<

<(5-10)Q*, при этом радиусы областей повреждений измеряют непосредственно в обьеме образца.

1685146

42 оВ Î$ 0 О Og f,г

pcryuyg области по8ражуения Фк, ии

Составитель В.Калечиц

Редактор В.Фельдман Техред М.Моргентал Корректор Я.Козориз

Заказ 1962 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101