Способ определения радиуса эффективного пятна облучения Советский патент 1993 года по МПК G01N21/17 

Способ относится к квантовой электронике и предназначен для определения радиуса эффективного пятна в объеме прозрачного материала, облучаемого лазерным пучком. Знание размера пятна в объеме материала необходимо при решении прикладных задач силовой оптики, в частности при расчете объемной оптической прочности материалов, используемых в качестве элементов оптических систем мощных лазеров. Для лазерных пучков, характеризуемых плавным спадом интенсивности от оси пучка к периферии, в случае, когда распределение интенсивности f по сечению пучка зависит только от расстояния от оси пучка

г, радиус R3 эффективного пятна облучения

ло определению есть /o f(r) r dr)1/2.

Известны различные способы измерения размеров R3. В одних способах измеряют долю проходящего излучения для ряда фиксированных положений преграды, перемещаемой перпендикулярно оси пучка, и вычисляют на основе полученных данных функцию распределения энергии и радиус эффективного пятна облучения R3. Чаще других для этого используют преграду с отверстием или щелью, размеры которых малы по сравнению с размером пятна, а также преграды в виде непрозрачного экрана или проволоки. Другая группа методов основана на получении зависимости размеров пятен ожогов непрозрачных материалов с низкими порогами повреждения (часто для этих целей используют засвеченную фотопленку) от полной энергии п импульсе излучения, изменяемой введением в пучок фильтров с известным пропусканием.

Во всех существующих экспериментальных методах размер пятна непосредственно можно измерять только для случся фокусировки излучения на поверхность (материала, преграды), обычно находящуюся на воздухе. Известно, что при переходе от фокусировки на поверхности к фокусировке в объем материала с показателем преломления п, фокусное расстояние линзы, с помощью которой осуществляется фокусировка в обьем материала, изменяется.

Таким образом, недостатками существующих методов является невысокая точность определения размера пягна облучения в объеме материала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ, сущность которого заключается в следующем. Поверхность непрозрачного материала с низким порогом образования сплошного повреждени;) (ожога) при лазерном воздействии последовательно облучают (каждый раз новое место) лазерным пучком с энергией о импульсе k Ео (Ёо - полная.энергия о импульсе, Tk - пропускание ослабляющего фильтра в k-м импульсе). Для этих целей обычно используют злсве- ченные и обработанные пленки, фотобумагу или другие легкоповреждаемые материалы. Обработка полученных данных наиболее проста для гучкоа с аксиальной симметрией, для которых распределение энергии по сечению пучка зависит лишь от г. Тогда для плотности энергии (в точках, удаленных от оси пучка на г) Q(r)f(r)f Qo (где Qo - плот0

5

0

5

0

5

0

5

0

ность энергии на оси пучка, a f(r) - функция распределения, удовлетворяющая условию f(0)1). В STOM случае для точек, ограничивающих область сплошного повреждения, после воздействия пучка через фильтр с пропусканием,

Tk:Qo- 4rk).

(Q - порог повреждения материала), а для пятна с минимальными размерами, полученного при использовании фильтра с минимальным пропусканием, To:QoTo Q. Из этих соотношений получают, что f(rk)To/Tk. Таким образом, измерив радиусы областей сплошного повреждения rk, зная пропускание фильтров, строят зависимость To/Tk от г (для всех значений k), которая является функцией распределения f(r). Величину R3 определяют после выполнения измерений в нескольких точках и построения кривой, проходящей через эти точки, путем численного интегрирования.

Недостаток метода состоит в невысокой точности определения размера пятна в обь- еме исследуемого материала.

Целью изобретения является повышение точности измерения размера эффективного пятна облучения в объеме прозрачного материала.

Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена зависимость радиуса области повреждения rk (мм) от отношения пропускания фильтров To/Tk. Кривая 1 соответствует измерениям по изобретению, кривая 2 - в соответствии с прототипом.

Сущность изобретения заключается в следующем. Известно, что в большинстве практически важных случаев оптический пробой в объеме прозрачного материала инициируется нагревом поглощающих включений (ПВ). При облучении прозрачного материала импульсами лазерного излучения с интенсивностью выше некоторого порогового значения Q. при попадании хотя бы одного ПВ в область каустики фокусирующей линзы в объеме материала образуется микроразрушение, как установлено экспериментально, при интенсивности облучения, превышающей Q в 5-10 раз, возникает катастрофическое макроразрушение. Если условия облучения таковы, что концентрация ПВ в материале С удовлетворяет условию, при котором C(Fo 0)3 (Fo - фокусное расстояние линзы в среде с показателем преломления п 1, 0 - угол расходимости лазерного излучения), при Q Q в объеме материала в фокальной плоскости пинзы возникает несколько микроразруше- ний. каждое из которых обусловлено сверхпороговым нагревом ПВ. В этом случае в

объеме материала образуется область повреждения, состоящая из нескольких, случайным образом расположенных в фокальной плоскости линзы микроразрушений. Например, в виде полостей размерами 10 мкм. Граница этой области г будет соответствовать возникновению микроразрушения при интенсивности Q, а изменение ее размеров при изменении интенсивности на оси пучка do в пределах Q(5-10)Q будет определяться законом изменения 0(г). Верхняя граница значений интенсивности (5-10)0. соответствующая образованию макроразрушения, обусловлена тем, что размеры макроразрушений в обьеме прозрачного материала (в отличие от размеров области повреждения поверхности непрозрачных легкоповреждаемых материалов, используемых в вышеперечисленных способах для определения Рэ на воздухе) непредсказуемо меняются при изменении интенсивности и поэтому не могут быть использованы для измерения Рэ в обьеме материала.

Способ реализуется следующим образом.

Для определения радиуса облучаемого пятна в обьеме материала в произвольном сечении лазерного пучка, фокусируемого линзой с фокусным расстоянием Fo, образец облучают импульсами лазерного излучения с плотностью энергии Q(r)Qof(r). При этом плотность энергии на оси пучка Оо должна быть выше порога микроразрушений в обьеме материала Q, но ниже порога катастрофического макроразрушения последний обычно составляет (5-1OQ). Для выполнения измерений необходимо, чтобы выполнялось условие, при котором C(Fo 0) (Fo - фокусное расстояние линзы, в - угол расходимости лазерного пучка). В случае, когда свойства материала, в котором надо измерить Рэ, удовлетворяют этому условию, для измерений можно использовать образец, изготовленный из этого материала. В противном случае измерения следует проводить на образце того же (или другого материала с близким значением п), в котором в силу, например, более высокой концентрации примесей, приводящих к образованию ПВ (например, кремния в NaCI и KCI), концентрация последних высока. Поскольку при измерении Рэ на практике обыч- но считается удовлетворительной погрешность 20%, в случае использования другого материала необходимо, чтобы его показатель преломления не отличался от показателя преломления исследуемого материала более, чем на 10%. Облучая образец несколько раз (каждый раз новое место) импульсами лазерного излучения с различными значениями Qk, лежащими в пределах вышеуказанного интервала Q Q$5-10)Q, измеряя для каждого случая и отношение пропускания ослабляющих фильтров To/Tk, строят зависимость f(ric). Затем так же, как и в прототипе определяют Рэ методом численного интегрирования выражения

f1/9

f(r).r.

При этом число облучений остается таким же, как и в базовом методе, однако возрастает точность определения Рэ в объе

ме материала.

0

0

5

5

Для пучка с гауссовым распределением интенсивности 0(г)Ооехр(-|2/ю ), как указано выше, . В этом случае достаточно облучить образец двумя импульсами с плот® ностлми энергии и . Условия облучения, как и в первом случае, должны быть таковыми, чюбы значения плотности энергии на оси пучка QI и 02 заведомо превышали О. При этом область

повреждения материала, состоять; из отдельных микроразрушений, о фокальной плоскости линзы ограничена окружностью, на которой выполняется условие 0 0оехр(-г 2/го2). Граница этой области г определяется как

r 2-r02ln(Qo/Q),

Проведя измерения п, Г2 при П и , радиус гауссового пучка го находят из выражения, получаемого исключением Q из предыдущего соотношения )/1п() . Основное условие, накладываемое на С, может быть получено из требования, при котором Оы п оОьеме облучаемой области радиусом г и длиной h р

середине интервала Q Q (5-10)0, т.е.

InQo/Q 1, число микроразрушений )С 1, т.е. л ro2hC 1. Выбирая h-2ro, получаем 2я го . В случае пег ауссового пучка вместо го выбирают Pi. Некоторый произвол о получении удобного условия для С допустим, поскольку необлодпмо чтобы . Удовлетворяет ли мат ipivn этому условию, выясняется при первых ;;,о измерениях, позволяющих грубо оценить Рэ или го. Предлагаемый способ опробован для измерения размера пучка импульсного СОг - лазера в объеме хлористого натрия. Излучение фокусировалось линзой с фокусным расстоянием 000 мм на глубину 200 мм в

объем образца. Образец изготавливался из хлористого натрия с концентрацией ПВ 10 см . При этом выполнялось условие, при котором C(Fo О) 3 ( 0 принималось равным 10 - это его предельное паспортмое значение для лазера, с помощью которого проводились измерения). Для ослабления интенсивности использовался набор калиброванных фильтров, изготовленных из полиэтиленовой пленки, фтористого кальция и фтористого бария. Порог возникновения микроповреждений в объеме образца составлял 5 МВт/см2, интенсивность облучения 6-48 МВт/см2. При таких услови- облучения в фокальной плоскости линзы в объеме образца формировалось от 5 до 100 микроразрушений размерами 10-20 мкм. Для построения зависимости f(r) было проведено 12 облучений с измерением во всех случаях значений To/Tk и величины п.. Размер эффективного облучения пятна

f(r) в объеме образца составил 0,6+0,1 мм.

Поскольку пучок был гауссовым, измерения размера облучаемого пятна проводились и с помощью приведенного выше выражения. В этом случае путем многократных измерений получено значение гсН). 6+0,1 мм.

Полученные значения Рэ и го отличались (были выше на 20%) от результатов измерения радиусов ожогов засвеченной фотопленки для 12 значений интенсивности с последующим определением f(r).

Формула изобретения

Способ определения радиуса эффективного пятна облучения преимущественно в объеме прозрачного материала, заключающийся в том, что облучают образец, выполненный из исследуемого материала или пробного материала с порогом, не превышающим порог разрушения исследуемого материала, последовательностью К импульсов сфокусированного лазерного излучения с плотностями энергии Qi, где 1-1...К. измеряют значения радиусов п областей повреждения, вычисляют значения величин

f(n)-Qi/Qi для 1-1...К. аппроксимируют полученные значения функцией f(r) распределения энергиив пятне облучения и вычисляют путем численного интегрирования радиус Нэ эффективного пятна облуче0

ния (r)-r-dr 1/2, отличающийс я тем, что. с целью повышения точности определения R9, облучению подвергают образцы материала, показатель преломления которого отличается от показателя преломления исследуемого материала не более, чем на 10%. а концентрация поглощающих включений С удовлетворяет условию C(Fo0) . где FO - фокусное расстояние линзы, фокусирующей лазерное излучение в среде с показателем преломления, равным 1.0 - расходимость лазерного излучения, перед измерением радиусов областей

повреждений дополнительно облучают об- 5 разец импульсами лазерного излучения с различной плотностью энергии и определяют величину в порога возникновения в объеме образца микрораэрушений от вклю чений, причем при измерении радиусов областей повреждений лазерное излучение фокусируют в объем образца на расстояние I от его поверхности, а облучение проводят излучением с плотностями энергии QI, удовлетворяющими соотношению Q ,Qi (5-10)Q. при этом радиусы областей повреждений измеряют непосредственно в объеме образца.

5

0

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для определения радиуса эффективного пятна облучения Рэ в обьеме прозрачного диэлектрика, облучаемого лазерным пучком, что необходимо для решения прикладных задач силовой оптики, в частности для расчета объемной оптической прочности материалов, используемых в качестве элементов оптических систем мощных лазеров. Цель изобретения - повысить точность определения R3 в объеме прозрачного материала с показателем преломления п. Для этого подбирают образец материала, показатель преломления которого бтизок к n, a концентрация поглощающих включений С удовлетворяет условию C(Fo в)3 (Fo - фокусное расстояние линзы в среде с , О - значение угла расходимости лазерного пучка), затем фокусируют излучение в объем образца, далее образец облучают импульсами лазерного излучения с плотностями энергии Qi...Qk, лежащими в интервале

V0,8

payuvc

OjОOtl( 0,8 i,Z

области поврежуения 4/г, н