СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ОПТИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛА Российский патент 1995 года по МПК G01J5/50 

Изобретение относится к области исследования физических свойств материалов, в частности к определению оптической прочности, под которой подразумевают предельную напряженность электрического поля в световой волне, ниже значения которой электрический пробой материала не наступает.

Проблема определения оптической прочности материала является актуальной в связи с тем, что низкая лучевая прочность лимитирующий фактор при создании мощных генераторов когерентного излучения.

Известен способ определения порога оптического разрушения как минимального значения напряженности электрического поля Е_th (или плотности энергии, или мощности), вызывающего повреждение образца за один импульс лазерного излучения. Этот способ является традиционным, поскольку соответствует широко распространенным представлениям о механизме лазерного разрушения как электронной лавины или тепловой неустойчивости. Несмотря на физические различия, в обоих случаях пробой рассматривается как критическое явление, наступающее под действием определенного порогового значения напряженности электрического поля Е_th. В этом способе достаточно использования одного образца исследуемого материала, облучаемого моноимпульсами с напряженностью электрического поля в световой волне Е, увеличиваемой до тех пор, пока не наступит пробой. Число импульсов до пробоя здесь не учитывается, так как считается, что разрушаемая среда не запоминает предшествующие импульсы, если их напряженность ниже пороговой.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, в котором используется совокупность одинаковых образцов. Все они подвергаются воздействию лазерных импульсов при некотором выбранном значении Е, подсчитывается доля разрушенных за один импульс образцов Р(Е).

Неразрушившиеся образцы облучают импульсом с большим значением Е, вновь подсчитывается доля разрушений и так далее. Медиана полученного распределения Р(Е) интерпретируется как порог оптического разрушения Е_th. В данном способе учитывается статистическая природа разрушения, однако представление о пороге сохраняется. Представление о пороговом характере пробоя противоречит многочисленным фактам деградации элементов оптических систем квантовых генераторов при длительном или многократном облучении импульсами, напряженность которых много ниже пороговой. Систематическое экспериментальное исследование временного фактора показало, что оптическая стойкость τ (время до пробоя) в области достаточно больших значений Е(lg τ <1 с) подчиняется выражению
τ Nt_p= τ_oexp , (1) где t_р длительность импульса, N число импульсов до пробоя, τ _о, U_о, γ параметры, характеризующие свойства материала, Т абсолютная температура, К постоянная Больцмана.

Согласно (1) разрушение носит длительный (накопительный) характер, связанный с ожиданием тепловых флуктуаций. Величина порога
E_th= U_o-kTln (2) обладает температурно-временной зависимостью, вследствие чего утрачивает статус физического критерия (порогового характера) и только условно характеризует оптическую прочность материала.

Целью изобретения является достоверное определение оптической прочности материала.

Для этого в известном способе определения предела оптической прочности материала путем воздействия на образцы лазерным излучением при различных значениях напряженности его электрического поля Е и регистрации электрического пробоя образцов воздействие лазерным излучением на каждый образец проводят многократно при каждом фиксированном значении Е, измеряют при этом время τ от начала воздействия до электрического пробоя образца. Указанные операции повторяют, снижая величину напряженности Е, и строят зависимость lg τ f(E), по которой искомый предел оптической прочности материала определяют как точку пересечения оси абсцисс асимптотой графика lg τ f(E) при τ _→ ∞.

Основополагающими для предлагаемого способа являются результаты теоретической работы, полученные при анализе механического разрушения, но остающиеся справедливыми и при лазерном разрушении. Установлено, что время τ до разрушения лимитируется накоплением критической концентрации трещин С_* и определяется уравнением
C_τ (Е)Р( τ Е) С_*, (3) где C_τ концентрация элементов, разрушение которых термодинамически выгодно, уменьшающаяся при уменьшении Е, Р вероятность разрушения элемента при напряженности Е за время τ Из выражения (3) следует принципиальная возможность существования неразрушающих напряженностей: ими являются такие значения Е, при которых C_τ <С_*. Значение Е_о являющееся верхней границей неразрушающих напряженностей и имеющее смысл предела оптической прочности, определяется равенством
C_τ (Е_о)= С_* (4)
Однако ввиду количественной неопределенности входящих в уравнение (4) параметров для целей практического определения величины Е_о оно в настоящее время неприемлемо.

Решение задачи вытекает из анализа графика зависимости времени от начала воздействия на образец излучением до его электрического пробоя от величины напряженности электрического поля световой волны (излучения).

На фиг. 1 приведен график lgτ (E), по- лученный при решении уравнения (3); на фиг. 2 зависимости lg τ=f(E) при фокусировке лазерного излучения в объеме образца (кривая 1) и на поверхности образца (кривая 2).

Характерной особенностью графика является наличие прямолинейного (в полулогарифмических координатах) участка при не очень малых значениях Е, отклонение от прямолинейности при уменьшении Е и наличие асимптоты τ(E _→ E_o) _→ ∞. Существование такой асимптоты предлагается использовать для практического определения величины Е_о предела оптической прочности материала.

При этом необходимо воздействовать лазерным излучением (импульсным или непрерывным) и проводить облучение каждого образца многократно при фиксированном значении напряженности электрического поля Е световой волны вплоть до возникновения электрического пробоя образца. При таком подходе предполагается, что облучаемый образец накапливает необратимые изменения в структуре в результате воздействия предыдущих импульсов, которые, суммируясь, приводят к световому пробою.

Длительность воздействия излучением до пробоя при различных фиксированных значениях Е необходимо измерять для построения зависимости lg τ=f(E), по которой определяют предел оптической прочности. При этом сначала используют излучение с большим значением Е, а затем повторяют воздействие излучением и измерение τ, уменьшая величину Е. Каждое такое измерение необходимо проводить при фиксированном значении Е, так как предел прочности материала связан с накоплением в нем большого количества (т.е. большой суммарной длительности) воздействий при малой величине Е.

При уменьшении Е наступает момент, когда при сколь угодно длительном воздействии (τ _→ ∞) макроразрушение не наступает, что определено экспериментально. Процесс залечивания образующихся микродефектов при таких воздействиях уравновешивает процесс их возникновения, и макродефекты не образуются. Пересекая ось абсцисс (ось Е) асимптотой графика lg τ=f(E) (параллельно оси y), можно определить предел прочности Е_о материала.

Исходя из представлений о накоплении изменений в материале под действием светового излучения можно определить предел оптической прочности материала. Это основано на выявлении нового свойства материала отсутствии разрушения материала при сколь угодно длительном воздействии излучением при некотором критическом значении Е_о вследствие выравнивания скоростей образования и залечивания трещин.

П р и м е р. Взят образец полиметилметакрилата. Облучение производили неодимовым лазером с длиной волны 1,06 мкм и длительностью импульса t_р=60 нс. Световой поток фокусировали на поверхности или в объеме образца. Облучение осуществляли световыми импульсами с фиксированной величиной напряженности Е (можно и непрерывным излучением). Пробой регистрировался при возникновении плазменного факела, регистрируемого с помощью ФЭУ. Возможно также использование и других критериев пробоя, таких, как появление повреждения заданного размера, рассеяние света диагностического лазера и др. Для определения τ подсчитывалось число N вспышек до пробоя. Опыт повторяли при различных, систематически уменьшающихся значениях Е. Путем построения графика lg τ как функции Е и нахождения асимптоты при τ _→ ∞ (линии, параллельной оси y) в точке ее пересечения с осью абсцисс (значения Е) определялся предел оптической прочности Е_о. На графике фиг. 2 предел оптической прочности составляет величину Е_o= 2˙10⁴ В/см таков предел оптической прочности рассмотренной в данном примере поверхности полиметилметакрилата.

Для данных фиг. 2 определяемый согласно прототипу порог разрушения равен Е=2˙10⁵ В/см. По предлагаемому способу оптическая прочность ниже на порядок, что означает существенное повышение точности определения оптической прочности. Поскольку оно достигнуто за счет анализа физической закономерности, то можно говорить и о повышении достоверности и, следовательно, надежности в определении характеристик оптической стойкости материалов с помощью величины Е_о.

Предлагаемый способ может найти широкое применение в областях науки и техники, где необходима диагностика лучевой стойкости материалов, в том числе и непрозрачных, при лазерном воздействии с различной длиной волны.

Сущность: способ определения предела оптической прочности материала заключается в том, что образцы материала подвергают воздействию лазерного излучения многократно, при каждом фиксированном значении напряженности E электрического поля, начиная с больших значений E, измеряют время от начала каждого воздействия до электрического пробоя образца, строят зависимость lgτ=f(E) по которой определяют искомый предел оптической прочности материала как точку пересечения оси абсцисс асимптотой графика lgτ=f(E) при τ → ∞ . 2 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ОПТИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛА путем воздействия на его образцы лазерным излучением при различных значениях напряженности его электрического поля и регистрации электрического пробоя образцов, отличающийся тем, что производят многократное воздействие лазерным излучением на каждый образец при фиксированном значении напряженности электрического поля E, измеряют при этом время t от начала воздействия до электрического пробоя образца, снижают значение напряженности электрического поля и повторяют указанные операции для этой величины E, строят зависимость lgt f(E), которой искомый предел оптической прочности определяют, как точку пересечения оси абсцисс асимптотой графика lgt=f(E) при t __→ ∞ .