Способ определения порога разрушения поверхности оптических изделий

 

Использование; область оптических измерений определение порога разрушения поверхностей (сбетовой прочности). Сущность изобретения: после облучения импульсным оптическим излучением испытуемой поверхности пучок отраженного излучения направляют на эталонную оптическую поверхность из материала, имеющего параметр акустического отклика больший, чем у материала испытуемого изделия . Одновременно освещают монохроматическим излучением испытуемую и эталонные поверхности. В качестве характеристики акустических откликов поверхностей регистрируют параметры интерференционной картины монохроматического излучения, отраженного от испытуемой и эталонной поверхностей. Интенсивность импульсного оптического излучения устанавливают на уровне, соответствующем условию обратимых изменений эталонной поверхности под действием оптического излучения. Точность измере- .ний составляет- 3%. 2 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 21/55

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

K АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4891215/25 (22) 13.12.90 (46) 15.09.92. Бюл. N 34 (71) Ленинградский государственный университет (72) Ю.В,Судьенков, А.А.Антонов, В.И.Юревич и К.Ф.Буханов (56) Архипов Ю.В. и др, Структура и прочность материалов при лазерных воздействиях.

Квантовая электроника, 1986, т,13, ¹ 1, с,103 — 107.

Аверьянов Н.Е. и др. Исследование возможности прогнозирования порога плаэмообразования на поверхности металла с помощью оптико-акустического метода, ЖТФ, 1987, т,57, в,9, с.1758 — 1762. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРОГА

РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ (57) Использование: область оптических измерений., определение порога разрушения

Изобретение относится к области оптических измерений и может быть использовано для определения порога разрушения поверхностей (лучевой прочности).

Известен способ определения порога разрушения поверхности оптических изделий при воздействии на нее импульсного оптического излучения, заключающийся в измерении порогового значения энергии импульса излучения, соответствующего возникновению искры испытуемой поверхности с регистрацией ее возникновения фотоэлектрическим преобразователем. Недостатком известного способа является его низкая точность измерений, обусловленная тем обстоятельством, что порог возникнове- ... Ж, 1762194 А1 поверхностей (световой прочности). Сущность изобретения; после облучения импульсным оптическим излучением испытуемой поверхности пучок отраженного излучения направляют на эталонную оптическую поверхность из материала, имеющего параметр акустического отклика больший, чем у материала испытуемого изделия. Одновременно освещают монохроматическим излучением испытуемую и эталонные поверхности. В качестве характеристики акустических откликов поверхностей регистрируют параметры интерференционной картины монохроматического излучения, отраженного от испытуемой и эталонной поверхностей.

Интенсивность импульсного оптического излучения устанавливают на уровне, соответствующем усло|лю обратимых изменений эталонной поверхности под действием оптического излучения. Точность измерений составляет- 37;. 2 ил. ния искры (порог плаэмообразования) не всегда совпадает с порогом разрушения поверхности, Превышение порога плазмообраэования над порогом разрушения зависит от параметров лазерных импульсов, вида материала, технологии обработки, загрязнения поверхности и других факторов, Их величины могут отличаться в несколько раз.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения порога разрушения поверхности оптических изделий, заключающийся в освещении испытуемой поверхности импульсным оптическим излучением, возбуждающим акустическую волну в оптическом элементе, регистрацию

1762194 амплитуды и формы акустического отклика испытуемой поверхности при последовательном увеличении воздействующей на поверхность энергии оптического излучения.

Поскольку амплитуда акустического отклика в слабом поле пропорциональна мощности падающего. оптического излучения, а в случае импульсного воздействия короткими импульсами (до 10 с) — энергии оптического излучения, то при превышении уровнем лазерного воздействия порога разрушения поверхности происходит нарушение указанной пропорциональности вследствие роста коэффициента поглощения. Это обстоятельство и используется для определения порога разрушения поверхности, который определяется по точке перегиба зависимости величины амплитуды акустического отклика от величины, воздействующей на поверхность энергии.

Недостатком известного способа определения порога разрушения поверхности оптических изделий является его низкая точность (суммарная относительная погрешность измерений составляла величину

150 ), что недостаточно для большого количества технических измерений. Например, при поиске оптимальных условий и технологий обработки поверхностей оптических изделий.

Целью изобретения является повышение точности измерений порога разрушейия поверхности оптических изделий при воздействии оптического излучения.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг,2 — экспериментально полученная зависимость разности амплитуд акустического отклика исследуемой Аи и эталонной поверхностей от мощности Ри воздействующего излучения Л А = f (Ри), полученная способом для медной проволоки (медь марки М1РО) при облучении импульсным оптическим излучением с длиной волны f = 1,06 мкм, длительностью импульса = 25 нс. Материал эталонной поверхно.сти — алюминий марки АМГ-6.

Устройство для реализации способа определения порога разрушения поверхности оптических изделий состоитиз импульсного оптического генератора 1, светоделителя 2, измерителя 3 мощности оптического излучения, узла 4 крепления образца с испытуемой поверхностью, узла 5 крепления образца с эталонной поверхностью, фильтра-ослабителя 6 и двухплечевого интерферометра, включающего источник 7 монохроматического излучения, полупрозрачную пластину 8 и систему регистрации

55 интерференционного сигнала, состоящую из фотоэлектрического усилителя 9, широкополосного усилителя 10 электрических сигналов и измерительного осциллографа

11, Способ определения порога разрушения поверхности оптических изделий осуществляется следующим образом, Импульс оптического излучения от генератора 1 проходит светоделитель 2, воздействует частью своей мощности на поверхность испытуемого изделия и возбуждает в изделии акустическую волну. Отраженное от испытуемой поверхности излучение через фильтр-ослабитель 6 направляется на эталонную поверхность и возбуждает в образце с этой поверхностью акустическую войну. Часть мощности импульса оптического излучения, отраженная от светоделителя 2, направляется в измеритель 3 мощности.

Монохроматическое излучение от источника 7 полупрозрачной пластиной 8 разделяется на две части и направляется в зоны облучения импульсным оптическим излучением испытуемой и эталонной поверхностей. Отраженные от этих поверхностей пучки монохроматического излучения интерферируют, а затем интерференционный оптический сигнал с помощью фотоэлектрического усилителя 9 преобразуется в электрический сигнал, который усиливается широкополосным усилителем 10 и регистрируется измерительным осциллографом 11.

Сущность изобретения заключается в том, что используется дифференциальный способ измерений: сигнал Аи от испытуемой поверхности сравнивается с сигналом А от эталонной поверхности, регистрируется их разность Л А. Сравнение сигналов термодеформаций различных материалов возможно в связи с тем, что в интервале (2-500)10 с после начала короткого (10 — 10 с) лазерного импульса их временной профиль близок к стационарному и практически не зависит от конкретного материала. В связи стем, что эталонная поверхность не должна подвергаться разрушению, величина потока энергии импульсного оптического излучения, воздействующая на нее, должна быть заведомо меньше величины, определяющей порог ее разрушения, т.е. должно быть обеспечено условие обратимых измерений эталонной поверхности под действием импульсного оптического излучения. Это. обеспечивается тем, что отраженное от испытуемой поверхности излучение направляют на эталонную поверхность, предварительно уменьшив его интенсивность, с помощью некоторого ослабителя. С целью

1762194 создания оптимальных условий полученил интерференцио11ного сигнала в качестве эталонной поверхности следует применять поверхности материалов, имеющих параметр акустического отклика V> > K«, где Ки— параметр акустического отклика исследуемой поверхности, т.е. компенсировать величину ослабления интенсивности потока импульсного излучения повышением величины акустического отклика за счет теплофизических и упругих параметров материала эталонной поверхности.

Решение динамической задачи термоупругости в случае, если линейный размер эоны облучения d существенно превосходит глубину проникновения тепла 3t (а— коэффициент температуропроводности, t— время воздействия) сводится к одномерной задаче термоупругости и дает следующее выражение для смешения поверхности под действием поглощенной энергии А(0, t), (предполагается равенство нулю напряжений в начальный момент времени и начало координаты на границе невозмущенной поверхности):

А(0,т)= — — fq(r)дт,, (1)

1 †Ср 0 где v, С, d, р — соответственно коэффициенты Пуассона и линейного расширения, теплоемкость. плотность материала изделия, к — коэффициент поглощения поверхности, а q (t) — плотность воздействующего оптического излучения, Выражение (1 справедливо для t t«, где t» — длительность импульса оптического излучения. Величину

1и

Ри = j q (t) d т определяют измерителем о энергии

А (0 ти) =- -КиРи (2)

1+и 0к

1 — v Cp

При достижении плотности энергии облучения порогового значения происходит изменение структурных характеристик состояния отражающей поверхности, что сопровождается нелинейным ростом коэффициента поглощения к и изменением теплофизических свойств материала. Этот процесс отражается на графике зависимости (2) перегибом, по координате которого и определяется в прототипе значение порога разрушения поверхности (световой прочности). Определение точки перегиба производится по сравнению величин

А«,1-< — A1

Ки,1

Р«,1+ < — Ри,i где А1 — экспериментально определяемая величина смешения поверхности при воздействии импульса оптического излучения с энергией Р«,1, à A;+t — та же величина при

5 воздействии импульса энергией Р«,1+1 > Ри,1.

ПрЕдПОЛаГая Р«,1+1 — Р .1 = Л Ри ОдИНаКОВЫми. рассмотрим углы наклона зависимости (2) в допороговой области:

ЛА, 10 л Л Р при нарушении прямой пропорциональности величины смешения от воздействующей мощности:, =hA ДА.+ЛА.

ДР« ЛР причем величины смешения в последнем случае представим в виде суммы двух величин Л А = Л Ал + Л Аи, Л Ал — величина смешения поверхности, линейно зависящая от Ри, а Л А« — величина смешения поверхности, обусловленная пороговыми изменениями.

Отношение m углов наклона Ки и Кл можно представить в виде:

ЛА +ЛА

Л/\, ЛА, где Am =

В допороговой области п1 = 1, при появ. лении пороговых разрушений m > 1. однако, определение точки перегиба возможно только при условии, что Л m больше относительной погрешности измерений. Для случая, описываемого в прототипе, Л m > 0 15, т.е. Д А«должно составлять величину

h Ан > 0.15 ДАЛ - 0,15 Л А;.

В рассматриваемом способе регистрируется величина Л А = lA« — A I = (Р«).

40 которая устанавливается по возможности малой (подбором светофильтров практически несложно добиться ЛА (0,05 — 0,1А«), Угол зависимости Л А = f(P«) определится соотношением К = l A« — A31/Ë Ри, а величи45 ны Кл и Кн даются аналогичными выраже1 нилми; !

А„— A l 1 lAn+AA — А

ЛР ЛР«

Отношение M углов наклона Кл и Ки

I 1

50 можно представить в виде:

М= — =14-ЛМ, Кн

Кл

ДА где ЛМ—

Видно, что при тех же значениях ЛА« (смешение поверхности, обусловленное пороговым значением Ри) величина Л М больше Лm во столько же раз, во сколько Л Ал > l Ал— A> l, т.е. в 10 — 20 раз. Таким образом, точ1I

1762194 ность регистрации точки перегиба резко возрастает, однако она определяется также погрешностью определения Р«, которая составляет величину - 3-5 и определяет, в основном, достигаемую точность измерений.

Таким образом, по сравнению с прототипом, точность измерений повышается в

3-5 раз.

Формула изобретения

Способ определения порога разрушения поверхности оптических изделий, включающий облучение испытуемой поверхности импульсным оптическим излучением, измерение амплитуды A«акустического отклика испытуемой поверхности при последовательном увеличении мощности Р« воздействующего на поверхность потока импульсного оптического излучения и определение порога разрушения по точке перегиба зависимости А«(Р«), о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерений, после облучения импульсным оптическим излучением испытуемой поверхности пучок отраженного излучения дополнительно направляют на эталонную оптическую поверхность, имеющую параметр акустического отклика Кч > К«, где Кэ = Аэ/Р«, A> — амплитуда акустического отклика эта5 лонной поверхности; К« =- А /P«, одновре-. менно освещают монохроматическим излучением испытуемую и эталонную поверхности в зонах облучения их импульсным оптическим излучением и сводят в один

10 пучок отраженные испытуемой и эталонной поверхностями монохроматическое излучение с образованием интерференционной картины. а измерение амплитуды А«акустического отклика испытуемой поверхности

15 при последовательном увеличении воздействующего на поверхность потока импульсного оптического излучения производят путем регистрации параметров интерференционной картины, при этом интенсив20 ность импульсного оптического излучения, направляемого на эталонную поверхность, устанавливают до величины, соответствующей обратимым изменениям этой поверхности под действием импульсного

25 оптического излучения.

1762194

Составитель С,Голубев

Техред М.Моргентал Корректор Т.Палий

Редактор

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

Заказ 3254 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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