СПОСОБ КАЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ОБРАЗЦА НА РАЗРЫВ В КОНДЕНСИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ В ПИКОСЕКУНДНОМ ВРЕМЕННОМ ДИАПАЗОНЕ Российский патент 2016 года по МПК G01N3/317 G01N25/00 

Настоящее изобретение относится к области измерений. Согласно изобретению рассматривается способ измерения динамической прочности на разрыв металлов, находящихся в твердом и жидком состоянии, при предельно высоких скоростях деформирования, основанный на применении фемтосекундного лазера, создающего сверхкороткую нагрузку на вещество.

При ударе свободно летящей пластины (ударника) по неподвижной плите (мишени) или при падении (по нормали) плоской детонационной волны на плиту (преграду) из исследуемого материала в плите распространяются волны сжатия, а в процессе отражения этих волн от свободных границ и последующего взаимодействия между волнами могут возникнуть растягивающие напряжения, приводящие при соответствующих условиях к разрушению плиты. Такой специфический вид разрушения получил название откольного разрушения или откола - динамического разрыва материала, который в соответствии с принятой классификацией относится к разрушению отрывом.

Основная цель исследований разрушения откольного типа - установление функциональной связи разрушающих напряжений в плоскости откола с параметрами нагрузки, т.е. определение характеристик откольной прочности материала. При этом главным образом применяются экспериментальные методы изучения процесса образования отколов при воздействии ударных волн в условиях одноосного деформирования. Интенсивный поиск путей построения зависимости амплитуды волны растяжения от длительности импульса растяжения в плоскости откола, а также определение величины откольной прочности материала и времени разрушения объясняются тем, что знание указанных параметров дает наиболее полную информацию о сопротивлении материала действию растягивающих напряжений при длительности их воздействия до 10^-8 с, что недостижимо другими экспериментальными методами.

Так известен способ (RU 2491530 С2, G01N 3/313, 2011) определения откольной прочности материалов на разрыв при ударных нагрузках, заключающийся в том, что на образец испытуемого материала воздействуют косой ударной волной, регистрируют с помощью импульсного проникающего излучения факт наличия откола конечной толщины, форму передней границы откола и форму фронта ударной волны. По этим данным рассчитывают давление ударной волны при выходе на свободную поверхность образца, а по величине давления, при которой появляется откол, судят об откольной прочности материала. Недостатком способа является значительная трудоемкость испытаний, вызванная необходимостью проведения серии опытов с различными параметрами ударной волны для исследования одного материала.

Также известен способ (SU 730080, G01N 3/30, 1977) определения откольной прочности материалов на разрыв при ударных нагрузках, заключающийся в том, что на образец испытуемого материала воздействуют косой ударной волной, регистрируют с помощью импульсного проникающего излучения факт наличия откола, форму передней границы откола, форму фронта ударной волны, а также форму задней границы откола. По полученным данным определяют скорости передней границы откола в момент начала ее движения и в момент начала разрушения и вычисляют величину откольной прочности. Недостатком данного способа является недостаточный объем информации, извлекаемой из опыта.

Эти известные способы позволяют регистрировать конечный результат, но не показывают реальную картину, происходящую в металлическом образце в момент нагружения его ударной нагрузкой. Это понятно, так как на момент создания этих способов отсутствовали средства регистрации процесса при его наносекундном течении.

В статье «Эффекты откольного разрушения в наносекундном диапазоне длительностей воздействия» авторы И.В. Смирнов, А.А. Уткин, Вестник Нижегородского университета 4, 1776, 2011, Санкт-Петербургский госуниверситет и Институт проблем машиноведения РАН, указано, что при проведении испытаний по откольному разрушению при воздействии кратковременных импульсов высокой интенсивности алюминиевого сплава в наносекундном диапазоне длительностей нагружения обнаружено несколько эффектов. Установлено, что прочность по достижении скорости нагружения 10⁷ с^-1 перестает увеличиваться. Авторы экспериментов объясняют это явление достижением материалом теоретической прочности. Также было обнаружено, что в сечении откола к моменту разрушения напряжение может расти или разрушению может предшествовать временной интервал, на котором напряжение не меняется или даже слабо падает. В этом случае авторы экспериментов вводят в рассмотрение два механизма разрушения - динамический и квазистатический.

Для изучения скоростной и временной зависимости прочности было рассмотрено разрушение импульсами треугольной формы. При этом было обнаружено, что на поведение напряжения перед моментом разрушения оказывает влияние не только скорость нагружения, но и скорость спада нагрузки. Было обнаружено, что критические характеристики разрушения в равной мере определяют продолжительность воздействия, формы и амплитуды приложенного импульса в том числе и скорость приложения нагрузки. Как правило, динамическую прочность связывают со скоростью приложения нагрузки, не принимая во внимание длительность действия нагрузки. Анализ разрушения при помощи критерия инкубационного времени показывает, что разрушение возможно не в момент достижения нагрузкой максимального значения, а некоторое время спустя, когда значение напряжений в сечении откола начинает уменьшаться. В этом случае связать прочность со скоростью нагружения уже не удается, можно говорить только о временной зависимости прочности. Такая ситуация называется квазистатическим механизмом разрушения. Какой будет механизм разрушения - квазистатический или динамический - определяется в первую очередь не скоростью приложения нагрузки, а амплитудой приложенного импульса и скоростью спада нагрузки. Если предположить, что скорость спада нагрузки близка к постоянной, то при относительно небольшой скорости нагружения (10⁷ с^-1 и менее) момент разрушения наступает на участке увеличения нагрузки. При более высоких скоростях нагружения разрушение происходит после достижения нагрузкой максимального значения, на спаде значений напряжений. С этим явлением и связан эффект «стабилизации» прочности.

Данные исследования показывают, что при наносекундном нагружении можно получить картину эффектов, не связывая их с достижением материалом предельного значения прочности и не рассматривая два механизма разрушения, а «динамическая» прочность материала, если принять в качестве таковой растягивающее напряжение в момент разрушения, не является константой, а зависит от длительности импульса. Таким образом, материал может выдерживать большие напряжения, если они действуют в течение достаточно короткого времени.

Данное решение принято в качестве прототипа.

Однако полученные выводы не корреспондируются с результатами новых исследований, проведенных на металлических образцах путем импульсного воздействия лазерным лучом на предельно высоких скоростях и при предельно короткой длительности (на уровне ~10^-10 с) импульса нагрузки.

С появлением мощных фемтосекундных лазеров стало возможным изучение поведения материалов при предельно высоких скоростях приложения механической нагрузки. Известно, что сопротивление материалов разрушению (динамическая прочность вещества) возрастает по мере увеличения скорости деформирования. Это связано с ограниченной скоростью образования и роста несплошностей. На сегодняшний день с помощью фемтосекундных лазерных импульсов (ФЛИ) реализуются механические нагрузки предельно короткой длительности (на уровне ~10^-10 с). Это позволяет исследовать прочностные свойства вещества при предельно высоких скоростях деформации (на уровне ~10⁹÷10¹⁰ с^-1).

Таким образом, выявленный прототип показывает возможность реализации способа нагружения ударным импульсом металлического образца в наносекундном диапазоне, но не обеспечивает возможности реальной оценки тех качественных и количественных параметров процессов, которые проходят в образце в момент его нагружения до полного разрушения.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении достоверности определения динамической прочности образца на разрыв в твердом или жидком состоянии при проведении испытаний за счет формирования ультракороткого пикосекундного импульса нагрузки фемтосекундным лазером за время ~10^-13÷10^-12 с.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе качественной оценки динамической прочности образца на разрыв в конденсированном состоянии в пикосекундном временном диапазоне, заключающемся в нагружении твердого или жидкого образца ударным импульсом в кратковременном временном интервале до разрыва образца или его откола, осуществляют разовым импульсом излучения фемтосекундного лазера короткой длительности на уровне 10^-13÷10^-12 с для формирования скорости деформации структуры образца на уровне 10⁹÷10¹⁰ с^-1, а оценку динамической прочности металлов на разрыв в конденсированном состоянии в пикосекундном временном диапазоне проводят методом субнаносекундного диагностического частотно-модулированного импульса для разложения с пикосекундным разрешением 1-2 пс процесса пространственно неоднородного движения поверхности образца во временном интервале 0-200 пс.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется иллюстрациями, которые наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг. 1 представлен процесс, протекающий при нагреве металла с помощью ФЛИ: показан неравновесный нагрев электронов и решетки;

на фиг. 2 представлен процесс, протекающий при нагреве металла с помощью ФЛИ: стадия выравнивания температур Т_е и T_i;

на фиг. 3 представлен процесс, протекающий при нагреве металла с помощью ФЛИ: плавление нагретого слоя и возникновение нуклеации в расплаве при разгрузке; формирование волны сжатия, движущейся к тыльной поверхности;

на фиг. 4 представлен процесс, протекающий при нагреве металла с помощью ФЛИ: рост зародышей паровой фазы в расплаве у фронтальной поверхности; формирование ударной волны;

на фиг. 5 представлен процесс, протекающий при нагреве металла с помощью ФЛИ: разрыв расплава у фронтальной поверхности; откол в твердом состоянии вблизи тыльной поверхности;

фиг. 6 - пример волновых профилей смещения z(t) (кривая А) и скорости u_fs(t) (кривая Б) тыльной поверхности A1 образца при выходе ударной волны.

С появлением мощных фемтосекундных лазеров стало возможным изучение поведения материалов при предельно высоких скоростях приложения механической нагрузки. Эти сведения нужны для развития физической теории прочности и пластичности материалов, построения моделей и определяющих соотношений для расчетного прогнозирования интенсивных импульсных воздействий на материалы и конструкции в широком диапазоне параметров нагрузки, создания экспериментальной базы для тестирования результатов атомистического моделирования.

Известно, что сопротивление материалов разрушению (динамическая прочность вещества) возрастает по мере увеличения скорости деформирования. Это связано с ограниченной скоростью образования и роста несплошностей. На сегодняшний день с помощью фемтосекундных лазерных импульсов (ФЛИ) реализуются механические нагрузки предельно короткой длительности (на уровне ~10^-10 с). Это позволяет исследовать прочностные свойства вещества при предельно высоких скоростях деформации (на уровне ~10⁹÷10¹⁰ с^-1).

Фемтосекундные лазерные системы даже при относительно небольшой энергии, содержащейся в световом импульсе >1 мДж, и предельно малой длительности светового импульса (несколько десятков фемтосекунд) обеспечивают при фокусировке сверхинтенсивное излучение в диапазоне более 10¹⁶÷10¹⁸ Вт/см². Такие параметры лазерного излучения соответствуют режиму сверхсильного светового поля (Е>10 В/м), получение которого недоступно другими способами в лабораторных условиях. Сверхинтенсивное лазерное излучение позволяет создавать и изучать вещество в экстремальном состоянии. Известно, что в настоящее время режим сверхсильного светового поля обычно реализуется с помощью сверхмощных фемтосекундных твердотельных лазерных систем на титан сапфире (Ti:Al₂O₃, или Ti:S), работающих в диапазоне 0.8 мкм. Другие возможности достижения этого режима в иных спектральных диапазонах связаны с процессом усиления сверхкоротких лазерных импульсов в таких газовых усилителях как KrF (λ=0.248 мкм), ХеCl (λ=0.308 мкм), CO₂, N₂O (λ=10 мкм). Для такого рода лазерных систем необходимы эффективно работающие схемы формирования затравочного излучения сверхкороткой длительности, базирующиеся на нелинейно-оптических методах преобразования частоты.

В качестве источника накачки для схем нелинейно-оптического преобразования частоты наиболее широко используется коммерчески доступный фемтосекундный твердотельный лазер, построенный на базе Ti:S в качестве широкополосной активной среды. К такому же классу лазеров относится и лазер на хром-форстерите (Cr⁴⁺:Mg₂SiO₄, далее Cr:F), который имеет ряд преимуществ перед Ti:S лазером. Источником накачки для него служит излучение твердотельного Nd³⁺:YAG лазера (λ=1.064 мкм), что значительно эффективнее по сравнению с аналогичной системой на Ti:S, для накачки которого требуется излучение на длине волны 0.5 мкм и которое может быть получено при генерации второй гармоники Nd³⁺:YAG лазера. Теоретический предел по длительности генерируемых импульсов для лазеров на Cr:F составляет 7,5 фс, а экспериментально достигнутая минимальная длительность - 14 фс. Характерная длительность генерируемых импульсов составляет 50-100 фс при диапазоне перестройки по длине волны в области 1,23-1,27 мкм, а энергия импульса может достигать 90 мДж при длительности импульса 80 фс. Нелинейно-оптическое преобразование частоты излучения фемтосекундного Cr:F лазера позволяет создавать источники для решения большого числа задач. Помимо задачи создания источника сверхсильного поля видимого диапазона, вторая гармоника излучения Cr:F лазера (λ=620 нм) может быть использована в качестве накачки параметрических генераторов света ближнего ИК-диапазона, а также для исследования ряда химических и биологических объектов. Четвертая (λ=308 нм) и пятая гармоники (λ=248 нм) могут быть задействованы в задаче формирования затравочного излучения для последующего усиления в XeCl и KrF усилителях, соответственно. Cr:F лазер в качестве накачки схем параметрической генерации света (ПГС) в среднем ИК-диапазоне, благодаря длине волны генерации λ=1240 нм, обладает преимуществом перед Ti:S лазером (λ=800 нм). Во-первых, исходя из соотношения Мэнли-Роу, предельная эффективность преобразования в случае использования Cr:F лазера примерно в 1.5 раза больше. Во-вторых, его применение позволяет избежать двухфотонного поглощения накачки в большинстве кристаллов, используемых для преобразования в средний ИК-диапазон. Фемтосекундный Cr:F лазер является перспективной лазерной системой, что подтверждается увеличивающимся числом работ, посвященных как оптимизации режимов работы лазера, так и вопросам преобразования частоты его излучения.

В последние годы много внимания уделяется изучению физических процессов, возникающих при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов умеренной интенсивности 10¹¹÷10¹³ Вт/см² на конденсированные среды. Наряду с технологическими аспектами прецизионной обработки материалов, большой интерес представляют исследования термодинамических и прочностных характеристик поверхностного нанослоя вещества при экстремально коротких импульсных нагрузках. Одной из информативных оптических методик, позволяющей с высокой точностью следить за высокоскоростной деформацией вещества, обусловленной воздействием ФЛИ, является фемтосекундная интерференционная микроскопия (ФИМ). Соответствующие пространственно-временные диапазоны измерений составляют ~ 1÷1000 нм и 0.1÷1000 пс. В этом отношении измерения с применением ФИМ миниатюризируют более крупномасштабные и более медленные методики VISAR и ORVIS, имеющие исключительное значение для диагностики импульсных явлений в микросекундном и наносекундном временном диапазоне; Doppler Velocity Interferometer System for Any Reflector (VISAR), Optically Recording Velocity Interferometer System (ORVIS). С помощью систем VISAR или ORVIS исследуют динамику акустических возмущений внутри пластин толщиной от десятков микрон до миллиметров.

Основываясь на этих сведениях, авторами был разработан и апробирован новый способ получения качественной картины деформационных процессов в телах с твердой и жидкой структурой при мгновенном одноразовом нагружении лазерным импульсом в пикосекундром временном интервале.

Этот способ качественной оценки динамической прочности образцов материалов на разрыв в конденсированном состоянии в пикосекундном временном диапазоне заключается в нагружении твердого или жидкого образца ударным импульсом в кратковременном временном интервале до разрыва образца или его откола. Но нагружение твердого или жидкого образца ударным импульсом в кратковременном временном интервале 10^-10 с, для формирования скорости деформации структуры образца на уровне 10⁹÷10¹⁰ с^-1, осуществляют с помощью однократного воздействия импульса излучения фемтосекундного лазера короткой длительности на уровне 10^-13÷10^-12 с, а оценку динамической прочности металлов на разрыв в конденсированном состоянии в пикосекундном временном диапазоне проводят с помощью диагностического частотно-модулированного импульса путем непрерывной регистрации процесса пространственно неоднородного движения поверхности образца с временным разрешением 10^-12 с.

С ФЛИ и пленками субмикронной толщины связаны чрезвычайно высокие темпы деформации материала V/V ~ 10⁹÷10¹⁰ с^-1. Большой интерес представляет диагностика процессов, инициированных ФЛИ в металлах. С этой целью были проведены описанные ниже эксперименты и численное моделирование воздействия ФЛИ на тонкие пленки алюминия (Al). С помощью методики ФИМ измерялась зависимость смещения тыльной (противоположной нагреваемой) границы тонкой пленки от времени z(t). Это смещение вызвано действием акустической волны, создаваемой в результате нагрева фронтальной поверхности с помощью ФЛИ.

В проведенных испытаниях источником ФЛИ являлась титан-сапфировая лазерная система, генерирующая импульсы с энергией до 2 мДж длительностью 40 фс на длине волны 800 нм. В качестве мишеней использовались алюминиевые пленки различной толщины, нанесенные методом магнетронного напыления на тонкие стеклянные подложки толщиной 150 мкм. Нагревающий импульс (длина волны ), генерирующий акустическую волну в образце, фокусировался либо на границу металл - стекло через тонкую (150 км) стеклянную подложку, либо на границу металл-воздух. При измерении зависимости z(t) используется интерферометр Майкельсона. Зондирование осуществлялось импульсами частотно-модулированными диагностическими импульсами длительностью 200 пс. Высокая точность измерения фазы отраженной волны зондирующего излучения (погрешность по фазе π/200) достигалась путем применения алгоритма двумерного фурье-анализа интерферограмм и процедуры нормировки изображений. Оптическая схема, методики измерений и анализа интерферограмм описаны в работах (V.V. Temnov, К. Sokolowski-Tinten, P. Zhou, and D. von der Linde, J. Opt. Soc. Am. В 23, 1954 (2006); M.Б. Агранат, Η.Ε. Андреев, СИ. Ашитков и др., Письма ЖЭТФ 85, 328 (2007).; N.A. Inogamov, V.V. Zhakhovskii, S.I. Ashitkov et al., Appl. Surf. Sei. 255, 9712 (2009); arXiv:0812.2965vl [physics.optics]).

С помощью трехкоординатного микроманипулятора после каждого воздействия нагревающего импульса мишень передвигалась на новое место. При этом точность позиционирования тыльной поверхности мишени относительно объектной плоскости микрообъектива интерферометра составляла не более 1-2 мкм и контролировалась по контрасту интерференционных полос.

Для создания необходимого давления в акустической волне и предотвращения развития нелинейных процессов самофокусировки и поглощения в стекле, приводящих к искажению пространственного распределения излучения в фокусе и препятствующих росту давления с ростом энергии нагревающего импульса, длительность импульсов была увеличена до 150 фс. Временное разрешение измерений равнялось примерно 1-2 пс. В проводимых экспериментах пространственное распределение нагревающего излучения в фокусе соответствовало гауссову с диаметром 80 мкм по уровню 1/е, что существенно превышало толщину d используемых металлических пленок микронной и субмикронной толщины. Это обеспечивает реализацию в эксперименте режим одноосного сжатия.

Результаты, полученные при проведении исследований, приведены на фиг. 1-5. Фиг. 1-5 иллюстрируют характерные стадии основных процессов, протекающих при воздействии фемтосекундного лазерного импульса (ФЛИ) с умеренной интенсивностью (~10¹³ Вт/см²) на металлический пленочный металлический образец (мишень). На фиг. 1 показан процесс неравновесного нагрева электронов и решетки, на фиг. 2 - стадия выравнивания температур Т_е и T_i, на фиг. 3 - стадия плавления нагретого слоя и возникновение нуклеации в расплаве при разгрузке и формирование волны сжатия, движущейся к тыльной поверхности. А на фиг. 4 показан рост зародышей паровой фазы в расплаве у фронтальной поверхности; формирование ударной волны; на фиг. 5 показан разрыв расплава у фронтальной поверхности; откол в твердом состоянии вблизи тыльной поверхности.

Анализ результатов воздействия ультракороткого импульса лазерного излучения показывает следующее.

Лазерное излучение поглощается в тонком (~10 нм) скин-слое на границе мишени и передается вглубь мишени посредством электронной теплопроводности. Одновременно в результате электрон-фононного теплообмена происходит нагрев решетки и ее быстрое плавление за время ~10^-12 с. На фронтальной нагреваемой стороне мишени при разгрузке в расплавленном поверхностном слое вещества возникают растягивающие напряжения, способные приводить к возникновению нуклеации в расплаве и последующему разрыву жидкого слоя (термомеханическая абляция). Подобные высокоскоростные процессы разрушения (откол), но уже в твердом состоянии, происходят вблизи тыльной поверхности, если растягивающие напряжения, возникающие при отражении ударной волны, превышают прочность твердой фазы.

Измерение профилей скорости u_fs(t) движения фронтальной и тыльной поверхностях позволяют получить данные о величине динамической прочности материала σ_spall в жидком и твердом состоянии соответственно. Величина σ_spall определяется по спаду скорости Δu_fs движения поверхности (фиг. 6 - Пример волновых профилей смещения z(t) (кривая А) и скорости u_fs(t) (кривая Б) тыльной поверхности Al образца при выходе ударной волны), который вызван сопротивлением вещества растяжению.

В простейшем случае (акустическое приближение) для расчета величины откольной прочности применяется формула σ_spall=ρcΔu_fs/2, где ρ - плотность вещества; с - скорость звука.

В экспериментах регистрация профилей движения поверхности испытуемых образцов осуществляется с помощью различных интерферометрических методик. Временное разрешение лазерных доплеровских измерителей скорости VISAR или ORVIS ограничено величиной ≈10^-9 с, определяемой линией задержки в составе интерферометра. При этом погрешность амплитудных измерений обратно пропорциональна времени задержки, что принципиально ограничивает их применение для измерений в пикосекундном диапазоне.

В последние годы для проведения измерений с пикосекундным разрешением развиваются интерферометрические методики с использованием субнаносекундного диагностического частотно-модулированного (чирпированного) импульса (С.И. Ашитков, П.С. Комаров, М.Б. Агранат, Г.И. Канель, В.Е. Фортов «Реализация предельных значений объемной и сдвиговой прочности железа при воздействии фемтосекундными лазерными импульсами» Письма в ЖЭТФ, 98, 439-444 (2013); С.И. Ашитков, П.С. Комаров, А.В. Овчинников, Е.В. Струлева, М.Б. Агранат «Динамика деформации и откольная прочность алюминия при однократном воздействии фемтосекундного лазерного импульса» Квант. Эл-ка, 43, 242-245 (2013); Whitley V.H., McGrane S.D., Eakins D.E. et al., Appl. Phys., 109, 013505 (2011); Crowhurst J.C., Armstrong M.R., Knight K.B. et al., Phys. Rev. Lett., 107,144302 (2011); S.I. Ashitkov, P.S. Komarov, A.V. Ovchinnikov, E.V. Struleva, V.V. Zhakhovskii, N.A. Inogamov, M.B. Agranat Ablation and nanostructuring of metals by femtosecond laser pulses Quantum Electronics 44 (6) 535-539 (2014)).

Применяемая авторами методика (С.И. Ашитков, П.С. Комаров, М.Б. Агранат, Г.И. Канель, В.Е. Фортов «Реализация предельных значений объемной и сдвиговой прочности железа при воздействии фемтосекундными лазерными импульсами» Письма в ЖЭТФ, 98, 439-444 (2013); С.И. Ашитков, П.С. Комаров, А.В. Овчинников, Е.В. Струлева, М.Б. Агранат «Динамика деформации и откольная прочность алюминия при однократном воздействии фемтосекундного лазерного импульса» Квант. Эл-ка, 43, 242-245 (2013); S.I. Ashitkov, P.S. Komarov, A.V. Ovchinnikov, E.V. Struleva, V.V. Zhakhovskii, N.A. Inogamov, M.B. Agranat Ablation and nanostructuring of metals by femtosecond laser pulses Quantum Electronics 44 (6) 535-539 (2014)) позволяет регистрировать в одном опыте с пикосекундным разрешением (1-2 пс) историю пространственно неоднородного движения поверхности образца во временном интервале 0-200 пс. Применение Фурье-анализа регистрируемых интерферограмм, а также сопоставление фазовых изображений, полученных до опыта и в процессе движения, обеспечивает точность измерения величины смещения поверхности мишени на уровне нескольких нанометров. Профиль скорости u(t) определяется путем дифференцирования измеряемых временных зависимостей смещения z(t). В отличие от многоимпульсного метода ФИМ с варьируемой временной задержкой между нагревающим и зондирующим фемтосекундными импульсами, предлагаемая одноимпульсная методика обеспечивает гораздо более высокую степень надежности измерений и не требует проведения многократных опытов.

Применение ультракороткого импульса нагрузки, генерируемого с помощью ФЛИ, позволяет в ударно-волновых экспериментах измерять откольную прочность твердого вещества при предельно высоких на сегодняшний день скоростях деформации (С.И. Ашитков, M.Б. Агранат, Г.И. Канель, П.С. Комаров, В.Е. Фортов «Поведение алюминия вблизи предельной теоретической прочности в экспериментах с фемтосекундным лазерным воздействием» Письма в ЖЭТФ, т. 92, №8, с. 568-573 (2010); С.И. Ашитков, П.С. Комаров, М.Б. Агранат, Г.И. Канель, В.Е. Фортов «Реализация предельных значений объемной и сдвиговой прочности железа при воздействии фемтосекундными лазерными импульсами» Письма в ЖЭТФ, 98, 439-444 (2013); С.И. Ашитков, П.С. Комаров, А.В. Овчинников, Е.В. Струлева, М.Б. Агранат «Динамика деформации и откольная прочность алюминия при однократном воздействии фемтосекундного лазерного импульса» Квант. Эл-ка, 43, 242-245 (2013)).

Метод определения откольной прочности по волновым профилям общепринят, но при такой короткой нагрузке (или таких высоких скоростях деформирования) не применялся. Ближайшие аналоги применяют более длинные импульсы нагрузки для изучения других явлений (упругопластические свойства) (Whitley V.H., McGrane S.D., Eakins D.E. et al., Appl. Phys., 109, 013505 (2011); Crowhurst J.C., Armstrong M.R., Knight K.B. et al., Phys. Rev. Lett., 107, 144302 (2011)).

Изохорический нагрев металла с помощью ФЛИ позволяет реализовать мощные растягивающие напряжения, действующие на расплав и приводящие к его разрыву - термомеханическая (откольная) абляция. В данной ситуации возможно измерение динамической прочности жидких металлов на разрыв в условиях высокоскоростного растяжения (S.I. Ashitkov, P.S. Komarov, A.V. Ovchinnikov, E.V. Struleva,V.V. Zhakhovskii, N.A. Inogamov, M.B. Agranat Ablation and nanostructuring of metals by femtosecond laser pulses Quantum Electronics 44 (6) 535-539 (2014)). Подобных работ других авторов пока не встречали.

Применяемая авторами схема измерений достаточно проста и основана на интерферометре Майкельсона с переносом изображения. Некоторая новизна оптической схемы связана с возможностью проведения измерений как на фронтальной (нагреваемой) стороне, так и на тыльной. А в работах конкурентов (Whitley V.H., McGrane S.D., Eakins D.E. et al, Appl. Phys., 109, 013505 (2011); Crowhurst J.C., Armstrong M.R., Knight K.B. et al., Phys. Rev. Lett., 107, 144302 (2011)) применяются другие схемы интерферометров.

Изобретение относится к области измерений. Сущность: осуществляют кратковременное нагружение твердого или жидкого образца ударным импульсом до возникновения в нем разрыва или откола. Нагружение твердого или жидкого образца осуществляется ультракоротким ударным импульсом длительностью порядка 10^-10 с, который создается одиночным импульсом лазерного излучения фемтосекундной (менее 10^-12 с) длительности для достижения скорости деформирования образца на уровне 10⁹÷10¹⁰ с^-1, а оценку динамической прочности металлов на разрыв в конденсированном состоянии проводят путем непрерывной регистрации процесса движения поверхности образца в пикосекундном диапазоне с временным разрешением 10^-12 с с помощью диагностического частотно-модулированного импульса. Технический результат: повышение достоверности определения динамической прочности образца на разрыв в твердом или жидком состоянии при проведении испытаний за счет формирования ультракороткого пикосекундного импульса нагрузки фемтосекундным лазером за время ~10^-13÷10^-12 с. 6 ил.

Способ качественной оценки динамической прочности образца на разрыв в конденсированном состоянии в пикосекундном временном диапазоне, заключающийся в кратковременном нагружении твердого или жидкого образца ударным импульсом до возникновения в нем разрыва или откола, отличающийся тем, что нагружение твердого или жидкого образца осуществляется ультракоротким ударным импульсом длительностью порядка 10^-10 с, который создается одиночным импульсом лазерного излучения фемтосекундной (менее 10^-12 с) длительности для достижения скорости деформирования образца на уровне 10⁹÷10¹⁰ с^-1, а оценку динамической прочности металлов на разрыв в конденсированном состоянии проводят путем непрерывной регистрации процесса движения поверхности образца в пикосекундном диапазоне с временным разрешением 10^-12 с с помощью диагностического частотно-модулированного импульса.