Способ определения пространственных характеристик мощных сфокусированных лазерных пучков

СООЭ СОЕтт т СКИХ социАлисти и:ски 12 ОО 646 5 Ц Н ГОсудАРГТВеннОе пАтентнОВЕДОМСТВО СССР(56) Иващенко П,А, и др. Измерение параметров лазеров. М.: Издательство Стандартов, 1982, с, 162,Заявка Японии М 56-160893, кл. В 23 К2618, 1972,54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАН СТВ Е Н Н ЫХ ХАРА КТЕ РИСТИКМОЩНЫХ СФОКУСИРОВАННЫХ ЛАЗЕРНЪХ ПУЧКОВ, включающий взаимодейстИзобретение относится к лазерной тех нике и может найти широкое применение для определения пространственных харак(теристик узких сфокусированных пучков излучения мощных, например, СО-лазеров,Цель изобретения - . увеличение точности определения пространственных характеристик мощных сфокусированных лазерных пучков за счет исключения выгорания и оплавления чувствительного эле-, мента.Процессом, дающим информацию о пространственных характеристиках пучка, в предлагаемом сггособе является коалесценция частиц островковой пленки, происходящая в результате их прогрева при поглощении энергии падающего излучения. Суть процесса коалесценции заключается в том, что при увеличении температуры островков происходит их миграция ую подложке и слияние.а также дифФузионное растворение малых вие лазерного излучения с чувствительным элементом, отличающийся тем,что,с целью увеличения точности за счет исключения выгорания и оплавления чувствительного элемента, в качестве чувствительного элемента используют островковую пленку вещества. поглощающего падающее излучение, нанесенного на прозрачную для данного излучения подложку, а о характеристиках лазерных пучков судят по изменению геометрических параметров островковой пленки, возникающему в результате процесса коалесценции,островков большими, вследствие чего наблюдается рост их среднего размера со временем, Поскольку скорость роста среднего размера определяется степенью прогрева д островков, то по относитевьной интенсивности прошедшего процесса коалесценции в разных частях пленки (по среднему размеру островков) можно судить о распределении энергии в поперечном сечении пучка,Поскольку при определенных толщинах пленки размер островков на порядок меньше среднего расстояния между ними, а подполтла прозрачна для напучення,то большая Рь часть излучения проходит через систему пленка-подложка, не поглощаясь,Доля энергии, поглощенной островками. незначительна, так как взаимодействие островка с излучением происходит в меру отношения размеров островка к длине волны излучения, величина которого при небольших толщинах пленки много меньшеединицы, Вследствие рассмотренных причин коэффициент поглощения излучения островковой пленкой оказывается нанесколько порядков ниже, чем в случаесплошного покрытия, являющегося непрозрачной стеной для излучения, и процессывыгорания и оплавления вещества не происходят даже в счучае пучков высоких мощностей. При этом, поскольку распространение. энергии из области ее поглощения соседниев островковой пленке происходит со значительно меньшей скоростью, чем в сплошной, данные о форме и размерахпоперечного сечения пучка, а также о егоместоположении в данном способе не искажаются,Таким образом, способ применим длямощных лазеров практически любой мощности и любого размера поперечного сечения пучка излучения.Для данной мощности лазерного пучкавремя экспозиции, плотность островков иих размер в зависимости от вещества подбираются экспериментально. В частности,изменения плотности островков и их размера можно добиться, в первую очередь, варьированием толщины осаждаемого слояматериала, При этом для всех материаловнижний предел изменения толщины островковой пленки определяется размером островков, необходимым для отчетливогонаблюдения процесса коалесценции, а верхний предел определяется переходом от островковой пленки к сплошной,Минимальное время, необходимое для отчетливого наблюдения процесса коалесценции в месте попадания пучка излучения,определяется плотностью, размером островков, а.также материалом островковойпленки,П р и м е р. Пленку золота толщиной бнм осаждали на свежий скол кристалла хлористого калия (КС) в вакууме 10 Па ввакуумной установке ВУПпутем термического испарения золота из вольфрамовойспирали, разогреваемой за счет прохождения по спирали постоянного электрическоготока до температуры Т -1400 К, Скооостьосаждения золота составляла 3 10 м/с.Температура кристалла.КС 293 К. Толщинупленки золота и скорость его осажденияконтролировали кварцевым измерителемтол щин КИТ.Результаты электронно-микроскопических исследований, проведенных с помощью электронного микроскопа ЗВМ Л, указывают на то, что образующаяся наповер ности кристаллов КС пленка золота является островковой. Платность частиц золота в указанной пленке 10 м , а их сред 1 е -зний размер 10 нм,5Определение пространственных характеристик поперечного сечения сфокусированных пучков проводили для лазера ЛГ.генерирующего излучения длиной волны А - -10,6 мкм мощностью 30 Вт. Кристалл КС с нанесенной на его поверхность островковой пленкой золота устанавливался перпендикулярно оси лазерного пучка в фокальной плоскости собирающей линзы, расположенной между выходным окном лазера и испытываемым образцом, Выдержки кристаллов КС с пленкой золота под лазерным пучком составляли 1, 5, 15, 30 и 45 мин, после чего .поверхности указанных кристаллов просматривали в оптическом микроскопе "7 етороп". Минимальное время выдержки, необходимое для отчетливого наблюдения процесса коалесценции. составляло 15 мин.При времени ф 15 мин в месте попада ния лазерного пучка на кристалл в оптическом микроскопе отчетливо наблюдается 3040 4550 округлая область, резко отличающаяся по своим оптическим характеристикам от остальной поверхности за счет прошедшего в ней процесса коалесценции, Граница пятна четкая, что говорит о резком спадания интенсивности излучения на краю пучка, отчетливо наблюдаются особенности формы поперечногб сечения пучка, отличающейся от круговой. Структура пятна существенно неоднородна и в нем можно выделить три довольно резко очерченные зоны, которыедолжны отвечать трем областям в поперечном сечении пучка, существенно отличающимся по интенсивности излучения. Размер пятна для времени т15 мин не зависит от времени выдержки пленки под пучком, что указывает на достоверность получаемых результатов, Точность определения размера составляет = 10 ем.Способ обеспечивает возможность определения пространственных характеристик: размера, места падения, формы ираспределения энергии мощных сфокусированных лазерных пучков с большой степенью точности ( =10 м), т, е, позволяет-еустановить локальность и интенсивность воздействия энергии излучения, что в конечном счете характеризует эффективность использования лазерного пучка в самых различных его технических целях.