СПОСОБ ЭКСПРЕСС-ИЗМЕРЕНИЯ РЕСУРСА РАБОТЫ ЛАЗЕРНЫХ ЗЕРКАЛ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01M11/00 G01N17/02 

Изобретение относится к оптике и лазерной технике и может быть использовано в отраслях промышленности, применяющих лазерную технологию и производящих лазерные установки.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения стойкости диэлектрических слоев к лазерному излучению, основанный на использовании частотно-импульсного лазерного излучения облучающего локальные области диэлектрических слоев. Этот способ не позволяет определить ресурс работы зеркал, приводит к существенному изменению оптико-физических свойств исследуемой области поверхности зеркала, требует значительных затрат времени и не позволяет достоверно судить о свойствах всей поверхности зеркала.

Согласно изобретению выбирают эталонное зеркало с известным ресурсом работы, формируют плазмообразующий лазерный импульс, последовательно воздействуют им на выбранные эталонное и испытуемое зеркала, регистрируют время инициирования плазмы на каждом зеркале, фиксируют форму импульса и поверхностную плотность энергии лазерного излучения на момент инициирования плазмы и, сравнивая отношения значений времени инициирования и плотности энергии или только плотности энергии в зависимости от формы импульса, определяют ресурс работы лазерных зеркал.

Способ можно реализовать с помощью устройства, схема которого приведена на чертеже. В качестве прототипа выбрано известное устройство для контроля зеркал, состоящее из импульсного источника излучения, фильтров, фокусирующей оптики, фотоприемника, микропроцессора и станины. Это устройство не позволяет определить ресурс работы лазерных зеркал, который является важнейшей характеристикой зеркала определяющей ее применение.

Для реализации способа согласно изобретению в устройство введены блок измерения формы и энергии импульса излучения 1, ячейка "И-НЕ" 2, ячейка "И" 3, синхрогенератор 4, счетчик 5 и делитель 6, причем микропроцессор 7 соединен с первыми выходами блока измерения формы и энергии импульса излучения 1, синхрогенератора 4, делителя 6 и счетчика 5, вход которого соединен с выходом ячейки "И-НЕ" 2, при этом первый вход ячейки "И-НЕ" соединен с фотоприемником 8, второй вход соединен с выходом ячейки "И" 3, соединенным также с входом делителя 6, а первый вход ячейки "И" соединен с вторым выходом блока измерения формы импульса 1 и выходом синхрогенератора 4.

Устройство работает следующим образом.

Источник излучения 9 (лазер) генерирует лазерный импульс 10, который попадает в блок измерения формы и энергии импульса излучения 1, где определяется его форма и энергия и проходит 11 на фокусирующую оптику 12. Блок измерения 1 может быть реализован на основе проходного болометра или измерителя мощности с делительной пластиной и фотоприемником для определения профиля импульса излучения. Фокусирующая оптика фокусирует излучение на поверхности испытуемого зеркала 3, где образуется плазма 14. Свечение от плазмы попадает на фотоприемник 8, где преобразуется в электрический сигнал 15, поступающий на ячейку "И-НЕ" 2. На эту же ячейку поступает сигнал от ячейки "И" 3, на которую поступают сигналы формы импульса излучения 16 и импульсы синхронизации 17, этот сигнал пропорционален числу импульсов синхронизации, укладывающихся на длительности импульса излучения. Эти импульсы поступают на ячейку "И-НЕ" 2 и проходят через нее при появлении импульса свечения плазмы с фотоприемника 8, прошедшие импульсы поступают на счетчик 5 и сигнал от него идет на микропроцессор 7, где обрабатывается по заложенному алгоритму и определяется время инициирования плазмы. От ячейки "И" прошедшие импульсы также поступают на делитель 6, где происходит их пересчет с коэффициентом, являющимся результатом анализа процессов плазмообразования, произведенного авторами. Результат пересчета, определяющий длительность используемого лазерного импульса, поступает на микропроцессор и определяет дальнейший вид операций с замеренными длительностью импульса, энергией и временем плазмообразования (поступившим со счетчика). Микропроцессор по заложенному алгоритму определяет из их соотношения рабочий ресурс испытуемого зеркала по сравнению с эталонным. Реализация ячеек, делителя, синхрогенератора и микропроцессора возможна на различных сериях современных микросхем, как отечественных так и зарубежных.

Наиболее широкое распространение в мощных технологических лазерных установках (резка, сварка) получили СО и СО₂ - лазеры, работающие в непрерывном или частотно-импульсном режимах. В лазерах указанного типа используется, как правило, металлические зеркала, на основе которых выполняется также и формирующая оптика. Поэтому физическое обоснование способа экспресс-измерений рабочего ресурса будет ниже дано для металлических зеркал.

Последовательность измерительных операций и методика вычисления ресурса слабо зависит от материала подложки и конструкции зеркала, хотя конкретные физические механизмы разрушения могут сильно различаться в зависимости от типа зеркала.

Одним из основных механизмов необратимых повреждений металлических зеркал является рекристаллизация внешнего слоя отражающей поверхности. Интенсивность процессов рекристаллизации растет с увеличением температуры и механических напряжений в приповерхностном слое. В случае, когда остаточные механические напряжения малы, необходимым условием рекристаллизации является наличие достаточно больших градиентов температуры, приводящих к возникновению термоупругих напряжений. Поэтому на практике физическое состояние зеркала характеризуется температурой T его внешней поверхности и установившимся перепадом ΔТ на толщине зеркала
Δ Т = G_погл ˙L/X, где G_погл - плотность поглощаемого потока лазерного излучения (ЛИ),
L - толщина зеркала,
Х - коэффициент теплопроводности.

Обычно поглощательная способность зеркала К = 0,01, при λ = 10,6.

С другой стороны, известно, что повреждения приповерхностного слоя носят локальный характер: поверхность как бы выкрашивается.

Это обстоятельство дает основание предположить, что на поверхности зеркала могут реализовываться высокие значения локальной поглощательной способности К >> К_о, обусловленные большими сечениями поглощения дефектов микрорельефа поверхности (в том числе и зерен поликристаллической структуры), а также - эффектом локального усиления плотности потока ЛИ, вызванного коллективным взаимодействием осциллирующих дипольных моментов, возбужденных в указанных приповерхностных дефектах. Это предложение косвенно подтверждается большей лучевой стойкостью монокристаллических и аморфизированных зеркал по сравнению с промежуточным вариантом структуры (разная величина зернистости). В аморфизированных образцах поглощательная способность отдельного зерна уменьшается примерно линейно с уменьшением его размера, в монокристаллических образцах "работают" только дефекты микрорельефа поверхности, размеры и концентрация которых могут быть достаточно малыми.

Разработанная методика позволяет определить ресурс работы лазерных зеркал. При наличии эталонного зеркала с известным ресурсом работы определяется абсолютный ресурс испытываемых зеркал. Ресурс θ_iможно представить как
Е/КТ_i
θ_i= θ_o˙e где i - номер зеркала;
θ_o = const; ( θ_o) = c;
E - энергия активации;
K - постоянная Больцмана;
T_i - характерная локальная температура поверхности зеркала при заданной плотности G_о потока ЛИ.

Описываемый способ позволяет определять отношение характерных температур T_к/T_i, то есть отношение логарифмических ресурсов. Абсолютный ресурс θ_i определяется при наличии эталонного зеркала с известной зависимостью
Е/КТ_э (G_о),
θ_o ( G_o )= G_o e, которую можно получить из прямых экспериментов.

Анализ локальной поглощательной способности поверхности лазерных зеркал показывает, что характерное значение локальной температуры T_i имеет вид
T_i = K_i ˙G_o ˙r/X; где r - характерный размер дефекта поверхности,
K_i - характерное значение локальной поглощательной способности i-го зеркала,
G_o - плотность потока лазерного излучения.

Отношение А_ik логарифмических ресурсов зеркал
(Z_i = ln ( θ_i/ θ_o) = E/kT_i) равно
A_ik = ln θ_i /θ_k = K_k/K_i.

Известно, что при импульсном воздействии ЛИ время t_xiинициирования приповерхностной плазмы определяется из уравнений
K_i·E_xi/= δ= const , t_xi ≥5 ˙10 c ^-7
T β_kiG(t)·edt
t_xi ≅ 5 ˙10^-7 c где G = G(t) - зависимость плотности потока ЛИ от времени;
E_xi= G(t)dt ; T_m = 5˙ 10^-3 K;
α, β = const
Для металлических зеркал
α 3˙ 10⁶ с^-1; β = 2 ˙10^-3 град см²/эрг
. Если время инициирования t_xi лазерной плазмы
t_xi 5 ˙10^-7 c, то из вышеприведенных формул имеем
K_i= /E_xi
A_ik= lnθ_i/lnθ_k= E/E, При t_xi ≅ 5 ˙10^-7 c из формул следует, что
K_i= T_m/β G(t)·edt
A_ik≃ G(t)·edt/ G(t)·edt
Таким образом, используя вспомогательный импульсный лазер, определяют пороги E_xi, t_xi образования лазерной плазмы на зеркалах, а затем вычисляют значения А_ik = ln θ_i /ln θ_k.

При переходе от зеркала к зеркалу размерная зависимость G = G(t) может быть произвольной. Другими словами "от выстрела к выстрелу", как форма тестового лазерного импульса, так и пиковое значение G_махплотности потока ЛИ могут быть произвольными. В изобретении это учитывается за счет блока определения формы и энергии лазерного импульса, где оперативно определяются эти текущие параметры.

Изобретение позволяет автоматизировать процесс контроля качества зеркал при поточном производстве и на порядок увеличить надежность лазерных устройств, использующих эти зеркала. (56) Патент ГДР N 209276, кл. G 01 N 17/00, 1984.

Патент США N 3689746/10, кл. G 01 M 11/02, 1972.

Использование: оптическое приборостроение, лазерная техника. Сущность изобретения: выбирают эталонное зеркало с известным ресурсом работы, формируют плазмообразующий импульс, последовательно воздействуют им на выбранное эталонное и испытуемое зеркала, регистрируют форму импульса и время инициирования плазмы на эталонном и испытуемых зеркалах, определяют поверхностную плотность энергии лазерного излучения на момент инициирования плазмы и, сравнивая отношения значений времени инициирования и плотности энергии или только плотности энергии в зависимости от формы импульса, определяют ресурс работы лазерных зеркал. Устройство для экспресс-измерения ресурса лазерных зеркал содержит импульсный источник излучения, фокусирующую оптику, блок измерения формы и энергии импульса излучения, оптически связанный с источником излучения, фотоприемник, микропроцессор, ячейку И - НЕ, ячейку И, синхрогенератор, счетчик и делитель. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ экспресс-измерения ресурса работы лазерных зеркал, включающий облучение поверхности испытуемого зеркала, отличающийся тем, что выбирают эталонное зеркало с известным ресурсом работы, формируют плазмообразующий импульс, последовательно воздействуют им на эталонное и испытуемое зеркала, регистрируют форму импульса и время инициирования плазмы на эталонном и испытуемых зеркалах, определяют поверхностную плотность энергии лазерного излучения на момент инициирования плазмы и, сравнивая отношения значений времени инициирования и поверхностной плотности энергии или только поверхностные плотности энергии в зависимости от формы импульса, определяют ресурс работы испытуемого лазерного зеркала. 2. Устройство экспресс-измерения ресурса работы лазерных зеркал, содержащее импульсный источник излучения, фокусирующую оптику, фотоприемник и микропроцессор, отличающееся тем, что в него введены блок измерения формы и энергии импульса излучения, оптически связанный с импульсным источником излучения, ячейка И - НЕ, ячейка И, синхрогенератор, счетчик и делитель, причем микропроцессор соединен с первыми выходами блока измерения формы и энергии импульса излучения и синхрогенератора и выходами делителя и счетчика, вход которого соединен с выходом ячейки И - НЕ, при этом выход ячейки И соединен с входом делителя и первым входом ячейки И - НЕ, второй вход которой соединен с выходом фотоприемника, первый и второй входы ячейки И соединены соответственно с вторыми выходами синхрогенератора и блока измерения формы и энергии импульса излучения.