Способ определения порога плазмообразования при действии моноимпульсного лазерного излучения на полированную металлическую поверхность Советский патент 1993 года по МПК G01J5/50 

Изобретение относится к технологии лазерно-плазменной обработки материалов и может быть применено для контроля и обеспечения заданной степени лазерного воздействия на полированную металлическую поверхность,

Целью изобретения - повышение чувствительности и достоверности способа путем .регистрации изменений микрошероховатости исследуемой поверхности металла в результате воздействия лазерного излучения. При этом характеристикой микрошероховатости поверхности является эллипсометри- ческий параметр Д который, как известно, убывает при увеличении микрошероховатости.

Поставленная цель достигается тем, что по способу, включающему последовательное облучение участков исследуемой поверхности моноимпульсным лазерным излучением при увеличении энергии лазерного импульса и регистрацию энергии в пятне облучения, после каждого моноимпульсного воздействия лазерного излучения исслеуемую поверхность дополнительно зондируют эллиптически поляризованным монохроматическим излучением с длиной волны в видимой области спектра при наклонном падении излучения и измеряют сдвиг фаз Д отраженного излучения по отношению к падающему, строят кривую зависимости Д от плотности энергии лазерного излучения, а о пороге плазмооб- разования судят по величине плотности энергии лазерного излучения, соответствующей максимуму скачкообразного изменения параметра Дна этой кривой, при котором d/VdE 0 и dA2/dE2 0, где Е - плотность энергии лазерного излучения.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что перечисленные отличительные признаки способа являются новыми и дают возможность получить эффект, не характерный для известного технического решения, о чем свидетельствуют данные, приведенные в примерах. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию новизна.

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области, т.е. технологии лазерно-плазменной обработки материалов в смежных областях, позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом способе, и признать заявляемое решение соответствующим критерию существенные отличия.

Изобретение поясняется чертежами (фиг. 1-5).

Предложенный способ осуществляется следующим образом (фиг. 1). Ряд участков исследуемой поверхности 2 последовательно облучают моноимпульсным лазерным излучением 1, увеличивая плотность энергии лазерного излучения в каждом последующем участке. После каждого моноимпульсного воздействия лазерного излучения дополнительно зондируют облученную поверхность эллиптически поляризованным монохроматическим излучением с длиной волны в диапазоне 400-600 нм при углах падения 50-75 град, и с помощью нуль-эл- липсометра 3 измеряют сдвиг фаз Д отра- женного излучения по отношению к падающему, строят кривую зависимости параметра Д от плотности энергии лазерного

излучения, а о пороге плазмообразования судят по величине плотности энергии лазерного излучения, соответствующей максимуму скачкообразного изменения параметра

на этой кривой, при котором dA/dE 0 и d A2/dE2 0, где Е - плотность энергии лазерного излучения.

Разработанный способ может быть использован для определения порогов плаз. мообразования при площади пятна воздействия лазерного излучения более чем 0,5 кв.см. Ограничение площади пятна воздействия связано с тем, что она не должна быть меньше площади пятна зондирующего

излучения при эллипсометрических измерениях параметра.

Примеры (фиг,2-5).

Порог плазмообразования при действии излучения СОз - лазера на поверхность

медных и алюминиевых зеркал был определен предлагаемым способом и способом- прототипом. В проведенных экспериментах был использован импульсный электроразрядный С02-лазер. Длительность лазерного

импульса составляла 2,5 мкс. Общая энергия лазерного импульса измерялась графитовым калориметром, обеспечивающим абсолютную точность 5%, Лазерное излучение создавало на поверхности исслёдованных зеркал пятна прямоугольной формы площадью кв.см. Средняя плотность энергии в пятне облучения менялась от 1 до 10 Дж/кв.см с помощью набора тонких поглощающих пленок из фторопласта без изменения режима работы самого лазера.

При определении порога плазмообразования по предлагаемому способу проводились измерения эллипсометрического параметра на поверхности исследуемых

зеркал в пятнах облучения с помощью эл- яипсометра 119 на длинах волн Д,436 нм и нм при угле падения 70 град. Абсолютная погрешность в определении Д составляла ±0,1°.

. .

На фиг.2-5 представлены зависимости параметра от плотности энергии лазерного излучения для медных (фиг.2 и 3) и алюминиевого (фиг.4 и 5) зеркал. Максимумы скачкообразного изменения параметра на этих кривых, при которых dA/dE 0 и dA2/dE2 0, соответствуют максимумам поглощения энергии лазерного излучения приповерхно- стной плазмой. При этом происходит минимальное изменение микрошероховатости поверхности по сравнению с исходной. Плотность энергии лазерного излучения, соответствующая этим максимумам, является порогом плазмообразования.

При определении порога плазмообра- зования по способу-прототипу за порог принималась величина минимальной плотности энергии, при которой с помощью ФЭУ- 61 регистрировалось свечение плазменного факела.

В таблице приведены величины порогов плазмообразования, определенные по предлагаемому способу и способу-прототипу.

Предлагаемый способ позволяет зафиксировать пробой на более ранних стадиях, чем способ-прототип. Кроме того, если при проведении измерений по способу-прототипу отношение сигнал-шум составляет величину 1-2, то при измерениях по предлагаемому способу отношение приращения параметра к минимально возможной регистрируемой величине Д (0,1) составляет 15- 20.

На основании вышеизложенного предложенный способ имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:

- повышенную чувствительность за счет непосредственной регистрации изменений состояния исследуемой поверхности при действии лазерного излучения;

- позволяет существенно уменьшить количество образцов исследуемого материала, так как измерение параметра производится не в процессе, а после воздействия лазерного излучения, что дает возможность многократно повторять эллипсометрические измерения на одном и том же пятне;

- в отличие от способа-прототипа, не возникают погрешности, связанные с присутствием частиц пыли на полированной ме- таллической поверхности, так как эллипсометрические измерения являются локальными и поэтому нечувствительными к наличию крупных рассеивающих центров;

- повышается надежность и достоверность определения порога плазмообразования, в то время как по способу-прототипу она сильно зависит от положения световода относительно исследуемой поверхности;

- реализация предлагаемого способа возможна на стандартном метрологически аттестованном нуль-зллипсометре.

В настоящее время на предприятии разработана методика определения порогов плазмообразования при действии моноимпульсного излучения СОа-лазера на полированную металлическую поверхность и проведены испытания. Использование намечено по плану 1992 г.

Формула изобретения Способ определения порога плазмообразования при действии моноимпульсного лазерного излучения на полированную металлическую поверхность, включающий последовательное облучение участков исследуемой поверхности моноимпусным лазерным излучением при увеличении энергии лазерного импульса в каждом последующем облучении и регистрацию плотности энергии в пятне облучения, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, после каждого моноимпульсного воздействия лазерного излучения на исследуемую поверхность дополнительно посы- лают эллиптически поляризованное монохроматическое излучение с длиной волны в видимой области спектра под углом « 50-75°, измеряют сдвиг фаз Дотраженного излучения по отношению к падающему, строят кривую зависимости от плотности энергии лазерного излучения, а о пороге плазмообразования судят по величине плотности энергии лазерного излучения, соответствующей максимуму скачкообразного изменения параметра Д нд этой кривой, при котором и dA2/dE2 0, где Е - плотность энергии лазерного излучения.

WS0081

А (2 pad)

2 3 Ц

Фы.4(Л 435ВА)

Использование: для определения порога плазмообразования при действии моно2 импульсного лазерного излучения на полированную металлическую поверхность, в частности для определения лучевой прочности поверхности металлических зеркал. Сущность: участки исследуемой поверхности последовательно облучают моноимпульсным лазерным излучением при увеличении энергии лазерного импульса и одновременно регистрируют плотность энергии в пятне, затем после каждого моноимпульса участки исследуемой поверхности дополнительно зондируют эллиптически поляризованным монохроматическим излучением с длиной волны в видимой области спектра под углом QH50-75 град, измеряют сдвиг фаз А отраженного излучения по отношению к падающему, строят кривую зависимости сдвига фаз Дот плотности энергии лазерного излучения, а о пороге плазмообразования судят по величине плотности энергии лазерного излучения, соответствующей максимуму скачкообразного изменения параметра на этой кривой, при котором dA/dE On d Д /dE 0, где Е.- плотность энергии лазерного излучения.5 ил. СП с оо О о ю ю 4

(%к) 102-i---i- j-,-

/ . 2 .5 -V Р«е.:-57Л«54 /Д)

Е 4 си1