Способ определения состава поглощающих включений Советский патент 1989 года по МПК G01N21/39 

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначена для определения состава материала поглощающих включений, ограничивающих оптическую прочность прозрачных материалов,покрытий, зеркал, используемых в лазерной технике.

Целью является повьшение достоверности при объемном распределении включений, ограничивающих оптическую прочность материала на длине волны лазерного 1 злучения Л при длительности импульса и сокращение трудозатрат на проведение измерений в условиях неразрушающего контроля

среди поглощающих включений (ПВ) с одним и тем же значением коэффициента поглощения к концу лазерного импульса длительностью С температура нагрева достигает максимального значения у ПВ, размер которых - а - удов- летворяет соотношешпо а Vk S , где k - коэффициент температуропроводности. В зависимости от указанных параметров ПВ, содержащиеся в прозрачном материале, могут быть более или менее опасны. Наиболее опасны ПВ, для которых комбинацией указанных параметров обеспечивается наибольшая температура нагрева. Именно такие, наибоО1N9

Ю

00 1ч9

лее опасные ПВ, ограничивают величину оптической прочности на уровне интенсивности излучения ) . Если бы такие включения удалось выявить и удалить, то оптическая прочность повысилась бы до значения ) i и определялась бы другими ПВ, н-р, с более низким значением коэффициенка лазерного излучения d 1 (1 расстояние между ПВ, которое можно определить, зная концентрацию включений С, как 1 1/ л/с, то при q (,t) возникнет несколько микроразрушеннй, каждое из которых будет обусловлено нагревом наиболее опасных включений. Возникновение микроразрушений позво

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для определения состава материала поглощающих включений, ограничивающих оптическую прочность прозрачных материалов, покрытий, зеркал, используемых в лазерной технике. Цель изобретения - повышение достоверности определения состава включений, ограничивающих оптическую прочность материала, на длине волны лазерного излучения λ при длительности импульса τ и сокращение затрат на проведение измерений. Материал последовательно облучают серией лазерных импульсов с нарастающей интенсивностью Q₁(λ,τ) ...Q_N(λ,τ) и определяют порог визуализации включений Q^* (λ₁τ), соответствующий образованию в материале микроразрушений. Исследуемую область материала облучают с интенсивностью, околопороговой для визуализации этих включений, и определяют состав включений, анализируя спектр свечения, сопровождающий образование микроразрушений.

та поглощения. Размеры наиболее опас- Q ляет надежно и однозначно визуализи- ных включений для А 10,6 мкм при микросекундных длительностях составляют несколько микрон.

Экспериментально обнаружно, что если прозрачный материал с ПВ облучать импульсами лазерного излучения с нарастающей интенсивностью, то начиная с некоторого значения интенсивности ,1,), в,материале обнаруживаются вначале микроразрушения в виде очагов растрескивания матрицы вблизи кагреваеьак ПВ. При зтом размеры мйкроразрушений сопоставимы с размерами вк -ючений. При значительном (в 5-10 раз) прешдаеяии интенсивности q(A, возникают .катастрофические макроразруиеняя миллиметровых размеров в виде областей раздробленного, расплавленного и виовь застывшего мигермала tta epiai.

Образованию разрушений в материале сопутствует вбэникноаение вспьшек: свечения. На стадия образования микроразрушений спектр свечения линейчатый и содержит линии эяементов, вхо- дйщих в состав вкляочений. Рост интенсивности лазерного излучения,яри- водящий к росту размеров области разрушения и формированию макрораэруше- ния, сопровождается ростом интенсивности континуума и синжением контрастности линий элементов включения. Кроме того, рост размеров области разрушения приводит к попадангао в ее пределы менее опасных ПВ и появленшо в спектре линий элементов, входящих в состав этих, менее опасных,ПВ.

В способе образец последовательно облучают серией лазерных ршпульсов с длиной волны Д, и длительностью 1,

ровать включения. Наиболее опасные с точки зрения оптической прочности при данном режиме облучения.

Далее облучают ту область материа)5 ла, которую хотят исследовать, с интенсивностью, околопороговой для визуализации наиболее опасных включений, т.е. (1-5) q (А,),) q () регистрируют спектр свечения, сопро20 вождающий образование микроразрушений и, поскольку спектр свечения в таком режиме облучения отражает элементный состав включений, определяют состав материала включений. Предлагаемое

25 условие облучения является необходи- Mb&i л достаточным. Действительно, при интенсиекости облучения ниже порого- йой проведе«ие анализа невозможно вваду отсутствия свечения, а при

Чл значительном его превьшении более чем в 5 раз - из-за преобладания фонового излучения матрицы.

Способ позволяет исследовать включения, расположенные на jno6oM расстоя ВДй от поверхности материала, посколь ку положение области облучения с помощью перефокусировкн ьюжно регулировать по глубине образца. Следует от метить, что методов, позволяющих дост верно выделять н исследовать включения наиболее опасные с точки зрения снижения оптической прочйости при заданных условиях воздействия лазерного излучения, в настоящее Время, не существует.

Сказанное выше об определений состава поглощающих включений в прозрачных средах применимо и для поглощаю- гцих йключений, ограничивающих опти- ческую прочность зеркал и покрытий.От личие состоит лишь в том, что в прозрачном материале ПВ распределены рав номерно во всем объеме образца, в случае просветляющих покрытий - локализованы в пределах толщш1ы слоя .покрытия, а в случае металлических зеркал - в его поверхностном слое толщиной, практически равной/размеру включения.

35

40

45

50

с нарастающш значением интенсивности q,(,l,) ... q( i,ti) и определяют такое минимальное значение интенсивности q(A, Ji) (порог), при ко.тором в образце образуется микроразрушение. Это микроразрушение обус- ловлено сверхпороговым нагревом включения, наиболее опасного для данного режима воздействия. Если диаметр пуч

ляет надежно и однозначно визуализи-

ровать включения. Наиболее опасные с точки зрения оптической прочности при данном режиме облучения.

Далее облучают ту область материа5 ла, которую хотят исследовать, с интенсивностью, околопороговой для визуализации наиболее опасных включений, т.е. (1-5) q (А,),) q () регистрируют спектр свечения, сопро0 вождающий образование микроразрушений, и, поскольку спектр свечения в таком режиме облучения отражает элементный состав включений, определяют состав материала включений. Предлагаемое

5 условие облучения является необходи- Mb&i л достаточным. Действительно, при интенсиекости облучения ниже порого- йой проведе«ие анализа невозможно вваду отсутствия свечения, а при

л значительном его превьшении более чем в 5 раз - из-за преобладания фонового излучения матрицы.

Способ позволяет исследовать включения, расположенные на jno6oM расстоя- ВДй от поверхности материала, поскольку положение области облучения с помощью перефокусировкн ьюжно регулировать по глубине образца. Следует отметить, что методов, позволяющих достоверно выделять н исследовать включения наиболее опасные с точки зрения снижения оптической прочйости при заданных условиях воздействия лазерного излучения, в настоящее Время, не существует.

Сказанное выше об определений состава поглощающих включений в прозрачных средах применимо и для поглощаю- гцих йключений, ограничивающих опти- ческую прочность зеркал и покрытий.Отличие состоит лишь в том, что в прозрачном материале ПВ распределены равномерно во всем объеме образца, в случае просветляющих покрытий - локализованы в пределах толщш1ы слоя .покрытия, а в случае металлических зеркал - в его поверхностном слое толщиной, практически равной/размеру включения.

5

0

45

0

Предлагаемый способ опробован на образцах промьшшенных щелочногалоид- ных кристал.пов NaCl и КС1, Облучени образцов проводилось импульсами с длной волны 10,6 мкм, длительностью 1,5 МКС. Радиус пятна воздействия сотавлял 0,5 мм. Концентрация ПВ, нтр, в KCi составляла Ю см , -/Е см, т.е. вьтолнялось условие d 7 1. Минимальное значение интенсивности, при котором в объеме образца под микроскопом (| 1ксировались микроразрушения, составляло 5 Ю Вт/с . Спектр свечения регистрировался при интенсивности 10 Вт/см . При такой интенсивности возникал трек из 10-20 микроразрушеннй, каясдое размером 10-30 мкм. Анализ спектральных зависимостей свечения, сопровождающего разрушение, показал, что в состав наиболее опасных включений в NaCl и КС1 входит ряд элементов - Ni,Ca, Р, S, Si, среди которых наиболее часто встречается Si. Исходя из этого можио утверждать, что для повышения оптической прочности NaCl и КС1 «а длине волны 1О,6 мкм при длительности импульса воздействия К5 мкс прежде всего необходимо избавиться от попадания кремния в материал.

Сопоставление полученных данных и результатов исследования элементного состава ПВ и очагов лазерного разрушения, провейенных с псадощью сканирующего электронного микроскопа с рентгеиовскии зондовь анализатором фирмы ХОРИБА показало, что состав очагов разрешения идентичен составу включений, инициирующих разрушение, определенных предлагаемьи способом.

Следовательно, последовательное облучение материала импульсами лазерного излучения с нарастающей инСоставитель О.Бадтиева Редактор Н.Горват Техред М.Ходанич Корректор В.Гирняк

Заказ 6952/40

Тираж 789

ВНИИПй Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

22082

10

15

20

25

30

40

45

тенсивностью q ( /, ,) . .q „( Д,-0) и определение порога визуализации включений, соответствующего воэникнове- ;нию в материале микрораярушений q(, i,) облучение исследуемой области материала.импульсами с интенсивностью околопорогрвой для визуализации включений q(,f) q (,) - 5q (A, ) и определение состава включений путем анализа спектра свечения, сопровождающего образование микроразрушений, приводит к повышению надежности определения состава поглощающих включений, ограничивающих оптическую прочность материала на длине волны лазерного , при длительности и тульса С, и сокращает затраты на проведение измерений.

Форму л аиз обретения

Способ определения состава погло- щающ11х включений, включакнций обнаружение включений в исследуемом материале, облучение исследуемого материала импульсами лазерного излучения и регистрацию спектров свечения, по которым определяют состав включений, отличающийся тем, что, с целью повьааения достоверности при объемном распределении -включений, ограничивающих оптическую нрогшость материала, и сокращения трудозатрат в условиях неразрушаврщего контроля, предварительно аблучайт материал нм- пульсани излучения с играста5«цей ин- тенсивн&стыо, определяют значение интенсивности, при которой в объеме образца фиксируются мкк;Е оразру1Ц1ения от включений, и цпя получения спектра свечения облучают исследуамзпо область материала импульсами с интенсивностью, околопороговой для образования шшроразрушений.

Подписное