Способ определения радиуса эффективного пятна облучения

(19 М 21 51)5 АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ТОРСКОМУ С ТЕЛЬСТВ Способ от нике и предна уса эффект прозрачного м ным пучком, 3 материала не кладных задач при расчете о сти материалов, и элементов оптическ ров, Для лазерных и плавным спадом и ка к периферии, в ление интенсивнос зависит только от пользуемых их систем мо учков, харак тенсивности случае, когдтипо сеч расстояния о в качестве щных лазетеризуемых от оси пуча распредеению пучка т оси пучка ГОСУДАРСТВЕНОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР)(71) Всесоюзный научный центрГосударственный оптический институт им, С.И.Вавилова"(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИУСАЭФФЕКТИВНОГО ПЯТНА ОБЛУЧЕНИЯ(57) Изобретение относится к квантовойэлектронике и предназначено для определения радиуса эффективного пятна облучения Рэ в объеме прозрачного диэлектрика,облучаемого лазерным пучком, что необходимо для решения прикладных задач силовой оптики, в частности для расчетаобьемной оптической прочности материалов, используемых в качестве элементов оптических систем мощных лазеров. Цельизобретения - повысить точность определеносится к квантовой электрозначен для определения радиивного пятна в обьеме атериала. облучаемого лазернание размера пятна в объеме обходимо при решении присиловой оптики, в частности бьемной оптической прочнония Вэ в объеме прозрачного материала с показателем преломления и. Для этого подбирают образец материала, показатель преломления которого бизок к и, а концентрация поглощающих включений С удовлетворяет условию С)(Го О)з (Ро - фокусное расстояние линзы в среде с п, 0 - значение угла расходимости лазерного пучка), затем фокусируют излучение в обьем образца, далее образец облучают импульсами лазерного излучения с плотностями энергии 010 к, лежащими в интервале ОО(5-10)О (О - порог образования в ф исследуемом материале микроразрушений от включений, ОК=ОТк, Оо - максимальная плотность энергии на оси пучка, Тк - пропускание фильтра в 1-м импульсе, То - значение Т, соответствующее образованию области повреждения минимальных размеров), измеряют радиусы г 1 г формирующихся в материале областей повреждения, состоящих из отдельных микроразрушений, 0 строят зависимость 1(п)=То/Тк и определя ют путем численного интегрирования выра- (Л я Вз= 21(г) г бг, 1 ил.г, радиус Йэ эффективного пятна облученияпо определению есть йэ=(2 7 1(г) г бг)1/2Изоестны различные способы измерения размероо Яэ. 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 Вэ, Чаще других для этого используют преграду с отверстием или щелью, размеры которых малы по сраонению с размером пятна, а также преграды в виде непрозрачного экрана или проволоки. Другая группа методов основана на получении зависимости размеров пятен ожогов нег 1 розрачных материалов с низкими порогами повреждения (часто для этих целей используют засвеченную фотопленку) от полной энергии о импульсе излучения, изменяемой введением в пучок фильтров с известным пропусканием.Во всех существующих экспериментальных методах размер пятна непосредственно можно измерять только для случая 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 и, фокусное расстояние линзы, с помащью которой осуществляется фокусировка в обьем материала, изменяется.Таким образом, недостатками существующих методов является невысокая точность определения размера пятна облучения о обьеме материала.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ, сущность которого заключается о следующел, Поверхность непрозрачного материала с низким порогом образования сплошного повреждения (ажога) при лазерном воздейстоии паследао,тельна облучают (каждый раз нооое место) лазерным пучкол 1 с энергией о импульсе Ек=Тк Ео(Ео - полная.энергия о импульсе, Тр - пропускание ослабляющего фильтра о 3 с-м импульсе). Для этих целей обычно используют засвеченные и обработанные пленки, фотобумагу или другие легкопоореждаемые материалы. Обработка полученных данных наиболее проста для пучков с аксиальной симл 1 етрией, для которых распределение энергии по сечению пучка зависит лишь от г. Тогда для плотности энергии (о точках, удаленных от оси пучка на г) О(г)=Г(г) Оо (где Оо - плотность энергии на оси пучка, а т(г) - функция распредег ения, удовлетворяющая условию1(0)=1). В этом случае для точек, ограничиваощих область сплошного повреждения, по 5 сле воздействия пучка через фильтр спропусканием,Тк:Оо 1 (г)Т=О,(О - порог повреждения материала), а дляпятна с минимальными размерами, пол 10 ученного при использовании фильтра с минимальным пропусканием, Та:ОаТо=О. Иээтих соотношений получают, что 1(г)=То/ТьТаким образом, измерив радиусы областейсплошного повреждения П, зная пропуска 15 ние фильтров, строят зависимость То/Т отг (для всех значений к), которая являетсяфункцией распределения (г), Величину Бэопределяют после оыпалнения измерений онескольких точках и построения кривой,20 проходящей через эти точки, путем численного интегрирования.Недостаток метода состоит о невысокойточности определения размера пятна в обьеме исследуемого материала.25 Целью изобретения является повышение точности измерения размера эффективного пятна облучения в объеме прозрачногоматериала.Изобретение поясняется чертежом, наЗ 0 котором приведена зависимость радиусаобласти повреждения г (мм) от отношенияпропускания фильтров Та/Тк. Кривая 1 соотоетстоует изл 1 ерениям по изобретению, кривая 2 - в соответствии с прототипом.З 5 Сущность изобретения заключается вследующем. Известно, что в большинствепрактически важных случаев оптическийпробой в объеме прозрачного материалаинициируется нагревом поглощающих40 включений (ПВ). При облучении прозрачно.го материала импульсами лазерного излучения с интенсивностью выше некоторогопорогового значения О, при попадании хотя бы одного ПВ о область каустики фокуси 45 рующей линзы в обьеме материалаобразуется л 1 икроразрушение, как установлено экспериментально, при интенсивностиоблучения, преоышающей О о 5-10 раэ,оозникает катастрофическое макрораэру 50 шение. Если условия облучены я таковы, чтоконцентрация ПВ о материале С удовлетворяет условию, при котором С(Го О) З (Гавфокусное расстояние линзы в среде с показателем преломления и= 1, 0 - угол расхо 55 димости лазерного излучения), при О О ообъеме материала о фокальной плоскости линзы возникает несколько ликроразрушений, каждое иэ которых обусловлено сверх- пороговым нагревом ПВ. В этом случае вобъеме материала образуется область повреждения, состоящая иэ нескольких, случайным образом расположенных в фокальной плоскости линзы микроразрушений. Например, в виде полостей размерами10 мкм. ГРаница этой области ггт бУдетсоответствовать возникновению микроразрушения при интенсивности О, а изменение ее размеров при изменении интенсивности на оси пучка Оо в пределах 0=(5-10)0 будет определяться законом изменения О(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 Вэ на воздухе) непредсказуемо меняются при изменении интенсивности и поэтому не могутбыть использованы для измерения Вэ в обьеме материала.Способ реализуется следующим образом.Для определения радиуса облучаемого пятна в объеме материала в произвольном сечении лазерного пучка, фокусируемого линзой с фокусным расстоянием Ео, образец облучают импульсами лазерного излучения с плотностью энергии О(г)=Оот(г), При этом плотность энергии на оси пучка Оо 10 15 20 25 30 должна быть выше порога микрораэрушений в объеме материала О, но ниже порога 35 катастрофического макроразрушения последний обычно составляет (5-100, Для выполнения измерений необходимо, чтобы выполнялось условие, при котором С(Ео 0) (Ео - фокусное расстояние линзы, 40-эО - угол расходимости лазерного пучка). В случае, когда свойства материала, в котором надо измерить Вэ, удовлетворяют этому условию, для измерений можно использовать образец, изготовленный из этого мате риала. В противном случае измерения следует проводить на образце того же (или другого материала с близким значением и), в котором в силу, например, более высокой концентрации примесей, приводящих к об разованию ПВ (например, кремния в МдСи КС), концентрация последних высока. Поскольку при измерении Вэ нэ практике обычно считается удовлетворительной погрешность 20;, в случае использования 55 другого материала необходимо, чтобы его показатель преломления не отличался от показателя преломления исследуемого материала более, чем на 10 , Облучая обрдэец несколько раз (каждый рэз новое место) импульсами лазерного излучения с различными значениями 0, лежащими в пределах вышеуказанного интервала 0 ОЯ 5-10)0, измеряя для каждого случая г и отношение пропускания ослабляющих фильтров То/Т, строят зависимость Цг). Затем так же, как и в прототипе определяют Бэ методол 1 численного интегрирования выраженияВ =2 ) ) пт 1 г 1При этом число облучений остается таким же, как и в базовом методе, однаковозрастает точность определения Вз в обьеме материала.Для пучка с гауссовым распределениеминтенсивности О(г)=0 оехр(-г /го"), кдк указано выше, Вэ=то, В этом случде достдточнооблучить образец двумя импульсами с пгготностями энергии 01=Т 10 о и 02 - -Т 20 о. Условия облучения, кдк и в ттериогл случае,должны быть таковыми, чгобы значенияплотности энергии нд оси пучка 01 и 02заведомо превышали О. При этом областьповреждения лтатеридлд, состоящая иэ отдельных микрорэзруше 11 ий, в фокдльнойплоскости линзы ограничена окружностью,нэ которой выполняется условие0=0 оехр(-г /го ), Грдницд этой области г+2 2определяется кдкг =-го п(Оо/0),Проведя измеретн 1 я гт, гг при 11 и Т 2,радиус гауссового пучка га находят из вырджения, получаемого исключением О изпредыдущего соотношения го(г 1" -гг 2 )/гл(Т /Т 2 . Основтое услоо 11 е, ттэклэ 2 1/2дываемое на С, может быть получено изтребования, цри котором бы д обьеме облучаемой области радиусом г и длттной Ь всередине интервала О О (5-10)0, т,е,пОо/О 1, число микрордэрушений И=2лт 2 ЬС 1, т,е. л го ЬС 1. Выбирая Ь.=-2 го,получаем 2 т го С 1, В случае нет дуссооогозпучка вл 1 есто го выбирают Р., 1 скоторьг 11произвол в получении удоЬгого условия дляС допустим, поскольку неободигло чтобтлМ 1, Удовлетворяет ли гтд;.род," этот, условию, выясняется цри переь 1 х:к измерениях, позволяющих грубо оцец 11 ть Вз илт 1 го,Предлагаемый способ опробован дляизмерения размера пучка игтцуг ьс 11 ого С 02- лазера в обьеме хлористого натрия, Иэлучение фокусировалось линзой с фокуснымрасстояниел 1 600 мм нд глубину 200 млт вобьем образца, Образец 11 эготдттлцодлстт иэхлористого нария с когтцетгтрдциейПВ" 10 см . При этом выполнялось услоа звие, при котором С(Ео 0)( гпттинттл 1 длось-3равным 10 - это его предельное пдсцортное 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/см, интенсивность облучения 6-48 МВт/см . При таких условиях облучения в фокальной плоскости линзы в объеме образца формировалось от 5 до 100 микрораэрушений размерами 10-20 мкм, Для построения зависимости ф) было проведено 12 облучений с измерением во всех случаях значений То/Тк и величины и. Размер эффективного облучения пятнайэ-(2 о 1(г) г бг в обьеме 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 го 0,6+0,1 мм.Полученные значения Вэ и го отличались (были выше на 20) от результатов измерения радиусов ожогов засвеченной фотопленки для 12 значений интенсивности с последующим определением Яг).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 0, где 1-1 К, измеряют значения радиусов г 1 областей повреждения, вычисляют значения величин 5 (г 1)-01/О для 1-1 К, аппроксимируют полученные значения функцией (г) распределения энергии в пятне облучения и вычисляют путем численного интегрирования радиус йэ эффективного пятна облучения Вэфа(2,/о 1(г)фг бг) ", о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности определения йэ, облучению подвергают образцы материала, показатель преломле ния которого отличается от показателяпреломления исследуемого материала не более, чем на 10. а концентрация поглощающих включений С удовлетворяет условию С(Год) з, где Ео - фокусное расстояние линзы, фокусирующей лазерное излучение в среде с показателем преломления, равным 1, 0 - расходимость лазерного излучения, перед измерением радиусов областеЯ повреждениЯ дополнительно облучают образец импульсами лазерного излучения с различной плотностью энергии и определя+ют величину 0 порога возникновения в обьеме образца микроразрушений от включений, причем при измерении радиусов областей повреждений лазерное излучение фокусируют в обьем образца на расстояниеот его поверхности, а облучение проводят излучением с плотностями энергии Оь удовлетворяющими соотношению 0,01 (5-10)0, при этом радиусы областей повреждений измеряют непосредственно в обьеме образца,каз 1962 Тираж Подписное ПНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская нвб., 4/5 венно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10 роиз О Ри уг