Способ определения порога разрушения поверхности оптических изделий Советский патент 1992 года по МПК G01N21/55 

Изобретение относится к области оптических измерений и может быть использовано для определения порога разрушения поверхностей (лучевой прочности).

Известен способ определения порога разрушения поверхности оптических изделий при воздействии на нее импульсного оптического излучения, заключающийся в измерении порогового значения энергии импульса излучения, соответствующего возникновению искры испытуемой поверхности с регистрацией ее возникновения фотоэлектрическим преобразователем. Недостатком известного способа является его низкая точность измерений, обусловленная тем обстоятельством, что порог возникнове-

ния искры (порог плазмообразования) не всегда совпадает с порогом разрушения поверхности. Превышение порога плазмооб- раэования над порогом разрушения зависит от параметров лазерных импульсов, вида материала, технологии обработки, загрязнения поверхности и других факторов. Их величины могут отличаться в несколько раз.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения порога разрушения поверхности оптических изделий, заключающийся в освещении испытуемой поверхности импульсным оптическим излучением, возбуждающим акустическую волну в оптическом элементе, регистрацию

VJ

О

ГО

§

амплитуды и формы акустического отклика испытуемой поверхности при последовательном увеличении воздействующей на поверхность энергии оптического излучения. Поскольку амплитуда акустического отклика в слабом поле пропорциональна мощности падающего оптического излучения, а в случае импульсного воздействие короткими импульсами (до с) - энергии оптического излучения, то при превышении уровнем лазерного воздействия порога разрушения поверхности происходит нарушение указанной пропорциональности вследствие роста коэффициента поглощения. Это обстоятельство и используется для определения порога разрушения поверхности, который определяется по точке перегиба зависимости величины амплитуды акустического отклика от. величины, воздействующей на поверхность энергии.

Недостатком известного способа определения порога разрушения поверхности оптических изделий является его низкая точность (суммарная относительная погрешность измерений составляла величину 15%), что недостаточно для большого количества технических измерений. Например, при поиске оптимальных условий и технологий обработки поверхностей оптических изделий.

Целью изобретения является повышение точности измерений порога разрушения поверхности оптических изделий при воздействии оптического излучения.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг.2 - экспериментально полученная зависимость разности амплитуд акустического отклика исследуемой Аи и эталонной поверхностей от мощности Рц воздействующего излучения А А f (Ри), полученная способом для медной проволоки (медь марки М1РО) при облучении импульсным оптическим излучением с длиной волны f 1,06 мкм, длительностью импульса т 25 не. Материал эталонной поверхности - алюминий марки АМГ-6.

Устройство для реализации способа определения порога разрушения поверхности оптических изделий состоитиз импульсного оптического генератора 1, светоделителя 2, измерителя 3 мощности оптического излучения, узла 4 крепления образца с испытуемой поверхностью, узла 5 крепления образца с эталонной поверхностью, фильтра-ослабителя 6 и двухплечевого интерферометра, включающего источник 7 монохроматического излучения, полупрозрачную пластину 8 и систему регистрации

интерференционного сигнала, состоящую из фотоэлектрического усилителя 9, широкополосного усилителя 10 электрических сигналов и измерительного осциллографа

11.

Способ определения порога разрушения поверхности оптических изделий осуществляется следующим образом.

Импульс оптического излучения от ге0 нератора 1 проходит светоделитель 2,воздействует частью своей мощности на поверхность испытуемого изделия и возбуждает в изделии акустическую волну. Отраженное от испытуемой поверхности

5 излучение через фильтр-ослабитель 6 направляется на эталонную поверхность и возбуждает в образце с этой поверхностью акустическую во/Ыу. Часть мощности импульса оптического излучения, отраженная

0 от светоделителя 2, направляется в измеритель 3 мощности.

Монохроматическое излучение от источника 7 полупрозрачной пластиной 8 разделяется на две части и направляется в зоны

5 облучения импульсным оптическим излучением испытуемой и эталонной поверхностей. Отраженные от этих поверхностей пучки монохроматического излучения интерферируют, а затем интерференционный

0 оптический сигнал с помощью фотоэлектрического усилителя 9 преобразуется в электрический сигнал, который усиливается широкополосным усилителем 10 и регистрируется измерительным осциллографом 11.

5 Сущность изобретения заключается в том, что используется дифференциальный способ измерений: сигнал Аи от испытуемой поверхности сравнивается с сигналом Аэ от эталонной поверхности, регистрируется их

0 разность Д А. Сравнение сигналов термодеформаций различных материалов возможно в связи с тем, что в интервале (2-500) с после начала короткого ( с) лазерного импульса их временной профиль бли5 зок к стационарному и практически не зависит от конкретного материала. В связи с тем, что эталонная поверхность не должна подвергаться разрушению, величина потока энергии импульсного оптического излуче0 ния, воздействующая на нее, должна быть заведомо меньше величины, определяющей порог ее разрушения, т.е. должно быть обеспечено условие обратимых измерений эталонной поверхности под действием

5 импульсного оптического излучения. Это обеспечивается тем, что отраженное от испытуемой поверхности излучение направляют на эталонную поверхность, предварительно уменьшив его интенсивность, с помощью некоторого ослабителя. С целью

создания оптимальных условий получения интерференционного сигнала в качестве эталонной пооерхности следует применять поверхности материалов, имеющих параметр акустического отклика Кэ Кц, где Ки - параметр акустического отклика исследуемой поверхности, т.е. компенсировать величину ослабления интенсивности потока импульсного излучения повышением величины акустического отклика за счет теплофизических и упругих параметров материала эталонной поверхности.

Решение динамической задачи термоупругости в случае, если линейный размер зоны облучения d существенно превосходит глубину проникновения тепла Va t (a - коэффициент температуропроводности, t - время воздействия) сводится к одномерной задаче термоупругости и дает следующее выражение для смешения поверхности под действием поглощенной энергии А(0, t), (предполагается равенство нулю напряжений в начальный момент времени и начало координаты на границе невозмущенной поверхности):

А (0, t) 1 +v d/c l- 1 -v Cp Ј

/q(r)dr, (D

(2)

где v, С, d,p- соответственно коэффициенты Пуассона и линейного расширения, теплоемкость, плотность материала изделия, /с- коэффициент поглощения поверхности, a q (г) - плотность воздействующего оптического излучения, Выражение (1) Справедливо для t Хи, где tn - длительность импульса оптического излучения. Величину 1и

РИ / Р (r) d r определяют измерителем

о энергии

А (0, ти) -КиРи

., 1 + v d к

Ср

При достижении плотности энергии облучения порогового значения происходит изменение структурных характеристик состояния отражающей поверхности, что сопровождается нелинейным ростом коэффициента поглощения /си изменением теплофизических свойств материала. Этот процесс отражается на графике зависимости (2) перегибом, по координате которого и определяется в прототипе зяачение порога разрушения поверхности (световой прочности). Определение точки перегиба производится по сравнению величин

L/ , Аи,1« гч. t

Ai

Ри.1м Ри.1

где AI - экспериментально определяемая величина смешения поверхности при воздействии импульса оптического излучения с энергией Ри,|, a AM - та же величина при воздействии импульса энергией PM,i+i PH,I. Предполагая Ри.н-1 - PH.I Д Ри одинаковыми, рассмотрим углы наклона зависимости (2) в допороговой области: У ААп

при нарушении прямой пропорциональности величины смешения от воздействующей мощности:

ДА ААл + ААН АРИДРИ

К ц

20

25

1 + Am.

причем величины смешения в последнем случае представим в виде суммы двух величин А А А Ал + А АН, А Ал - величина смешения поверхности, линейно зависящая от Ри, а А АН - величина смешения поверхности, обусловленная пороговыми изменениями.

Отношение m углов наклона Кн и Кл можно представить в виде: н - АА +ДАн

КлA/V,

гдедт |.

ЗоВ допороговой области m 1. при появ. лении пороговых разрушений m 1. однако, определение точки перегиба возможно только при условии, что A m больше относительной погрешности измерений. Для слу35 чая, описываемого в прототипе, A m 0,15, т.е. ААН должно составлять величину А АН 0.15 ,15 A AI.

В рассматриваемом способе регистрируется величина А А |АИ - Аэ f(Pn).

40 которая устанавливается по возможности малой (подбором светофильтров практически несложно добиться ДА (0,05-0,1 Аи). Угол зависимости А А f(PM) определится соотношением К I Аи - Аэ I /А Ри, а величи45 ны Кл и Кн даются аналогичными выражениями:

v 1 I Ал - Аэ I ., i |АЛ + ДАН- А3|

Кл АРи Кн АРи

Отношение М углов наклона Кп и Кн можно представить в виде:

5

М

Кн

1 + А М . ДА,

Кл

ГАеАМ |Ал-АзГ

Видно, что при тех же значениях ААН (смешение поверхности, обусловленное пороговым значением Ри) величина AM больше Am во столько же раз, во сколько А Ал |Ал- - АЭ1, т.е. в 10-20 раз. Таким образом, точ- -С

ность регистрации точки перегиба резко возрастает, однако она определяется также погрешностью определения Ри, которая составляет величину 3-5% и определяет, в основном, достигаемую точность измере-

НИИ.

Таким образом, по сравнению с прототипом, точность измерений повышается в 3-5 раз.

Формула изобретения

Способ определения порога разрушения поверхности оптических изделий, включающий облучение испытуемой поверхности импульсным оптическим излучением, измерение амплитуды Аи акустического отклика испытуемой поверхности при последовательном увеличении мощности Ри воздействующего на поверхность потока импульсного оптического излучения и определение порога разрушения по точке пере- гиба зависимости Аи(Ри), отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности измерений, после облучения импульсным оптическим излучением испытуемой поверхности пучок отраженного излучения допол-

нительно направляют на эталонную оптическую поверхность, имеющую параметр акустического отклика Кэ Ки, где Кл Аэ/Рц: Аэ - амплитуда акустического отклика эталонной поверхности; Ки Аи/Ри, одновре; менно освещают монохроматическим излучением испытуемую и эталонную поверхности в зонах облучения их импульсным оптическим излучением и сводят в один пучок отраженные испытуемой и эталонной поверхностями монохроматическое излучение с образованием интерференционной картины, а измерение амплитуды Аи акустического отклика испытуемой поверхности при последовательном увеличении воздействующего на поверхность потока импульсного оптического излучения производят путем регистрации параметров интерференционной картины, при этом интенсивность импульсного оптического излучения, направляемого на эталонную поверхность, устанавливают до величины, соответствующей обратимым изменениям этой поверхности под действием импульсного оптического излучения

Использование; область оптических измерений определение порога разрушения поверхностей (сбетовой прочности). Сущность изобретения: после облучения импульсным оптическим излучением испытуемой поверхности пучок отраженного излучения направляют на эталонную оптическую поверхность из материала, имеющего параметр акустического отклика больший, чем у материала испытуемого изделия. Одновременно освещают монохроматическим излучением испытуемую и эталонные поверхности. В качестве характеристики акустических откликов поверхностей регистрируют параметры интерференционной картины монохроматического излучения, отраженного от испытуемой и эталонной поверхностей. Интенсивность импульсного оптического излучения устанавливают на уровне, соответствующем условию обратимых изменений эталонной поверхности под действием оптического излучения. Точность измере- .ний составляет- 3%. 2 ил. (Л С

Фиг, i

fl(fi )

)