Способ определения порога плазмообразования при действии моноимпульсного лазерного излучения на полированную металлическую поверхность

/5 1)5 6 0 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ледуемой те воздейс ом характ поверхнос параметр т при увел Изобретенлазерно-плазми может бытьобеспечения 3воздействия нскую поверхноЦелью изовительности ид, регистрации и сти ис зульта При эт тости ческий убывае сти. поверхности твия лазерно ристикой мии является э Ь который, ичении микр металла в рего излучения. крошерохова- ллипсометрикак известно, ошероховатоается тем, что оследовательышение чувст способа путем роше роховато Поставленная цель досо способу, включающему АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Громов В,ИКалинин А,А. и др, Влияниемикропрофиля облучаемой поверхности навозникновение плазменного факела. //Квантовая электроника, 1988, т,15, М 3,.526-530,Баева Н.А, и др. Измерение энергетических затрат на образование приповерхностной плазмы при облучении металлических идиэлектрических мишеней импульсом СО 2. лазера. // Квантовая электроника, 1986,т,13, М 3, с,493-498,(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРОГАПЛАЗМООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ДЕЙСТВИИМОНОИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОЛИРОВАННУЮ МЕТАЛЛИЧЕСКУЮ ПОВЕРХНОСТЬ(57) Использование: для определения порога плазмообразования при действии моноие относится к технологии енной обработки материалов применено для контроля и аданной степени лазерного а полированную металличесть,бретения - повостове рностизменений мик 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 а=50-75 град, измеряют сдвиг фаз Л отраженного излучения по отношению к падающему, строят кривую зависимости сдвига фаз Лот плотности энергии лазерного излучения, а о пороге плазмообразования судят по величине плотности энергии лазерного излучения, соответствующей максимуму скачкообразного изменения параметра на этой к 2 оивой, при котором бЛ/дЕ=О и б Л /бЕ О, где Е - плотность энергии ла- а2зерного излучения, 5 ил.,ЬРное облучение участков исследуемой поверхности моноимпульснцм лазерным излучением при увеличении энергии лазерногоимпульса и регистрацию энергии в пятнеоблучения, после каждого моноимпульсного воздействия лазерного излучения исследуемую поверхность дополнительнозондируют эллиптически поляризованныммонохроматическим излучением с длинойволны в видимой области спектра при на,клонном падении излучения и измеряютсдвиг фаз.Ь отраженного излучения по отношению к падающему, строят кривую зависимости Ь от плотности энергиилазерного излучения, а о пороге плазмообрэзования судят по величине плотностиэнергии лазерного излучения, соответствующей максимуму скачкообразного изменения параметра Ь на этой кривой, прикоторомбФбЕ=ОибЬ /бЕ О, где Е - плотность энергии лазерного излучения.Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вцвод, что перечисленные отличительные признаки способаявляются новыми и дают воэможность получить эффект, не характерный для известного технического решения, о чемсвидетельствуют данные. приведенные впримерах, Таким образом, заявляемое техническое рещение соответствует критерию 30"новизна",Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области, т.е.технологии лазерно-плазменной обработкиматериалов в смежных областях, позволяет 35сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом способе, ипризнать заявляемое решение соответствующим критерию "существенные отличия". 40Изобретение поясняется чертежами(фиг.1-5).Предложенный способ осуществляетсяследующим образом (фиг.1), Ряд участковисследуемой поверхности 2 последовательно облучают моноимпульсным лазерным излучением 1, увеличивая плотность энергиилазерного излучения в каждом последующем участке. После каждого моноимпульсного воздействия лазерного излучения 50дополнительно зондируют облученную поверхность эллиптически поляризованныммонохроматическим излучением с длинойволны в диапазоне 400-600 нм при углахпадения 50-75 град. и с помощью нуль-эллипсометра 3 измеряют сдвиг фаз Ь отраженного излучения по отношению кпадающему, строят кривую зависимости параметра Ь от плотности энергии лазерного излучения, а о пороге плазмообразования судят по величине плотности энергии лазерного излучения, соответствующей максимуму скачкообразного изменения параметра наэтойкривой, при которомбЬ/бЕ=Ои б Ь /бЕ О,.где Е - плотность энергии ла 2 2зерного излучения.Разработанный способ может быть использован для определения порогов плазмообразования 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 СОг - лазера на поверхность медных и алюминиевых зеркал был определен предлагаемым способом и способом- прототипом, В проведенных экспериментах был использован импульсный электроразрядный СОг-лазер. Длительность лазерного импульса составляла 2,5 мкс. Общая энергия лазерного импульса измерялась графитовым калориметром, обеспечивающим абсолютную точность 5 ф , Лазерное излучение создавало на поверхности исследованных зеркал пятна прямоугольной формы площадью 5=1 кв.см. Средняя плотность энергии в пятне облучения менялась от 1 до 10 Дж/кв.см с помощью набора тонких поглощающих пленок из фторопласта беэ 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 эллипсометра "119" на длинах волн =436 нм и 1=546 нм при угле падения 70 град, Абсолютная погрешность в определении Ь составлялэ +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 бЫбЕ=О и бЬ йЕ О, соответствуют максимумам поглощения энергии лазерного излучения приповерхностной 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 плазмообразования по способу-прототипу за порог принималась величина минимальной плотности энергии, при которой с помощью ФЭУ 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 Ь (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 металлической 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 5относительно исследуемой поверхности;- реализация предлагаемого способавозможна на стандартном метрологически аттестованном нуль-эллипсометре.В настоящее время на предприятии раз работана методика определения пороговплазмообразования при действии моноимпульсного излучения СО-лазера на полированную металлическую поверхность и проведены испытания, Использование на мечено по плану 1992 г.Ф ар мула из об рете н и я Способ определения порога плазмообраэования при действии моноимпульсного лазерного излучения на полированную ме таллическую поверхность, включающий последовательное облучение участков исследуемой поверхности моноимпусным лазерным излучением при увеличении энергии лазерного импульса в каждом последу ющем облучении и регистрацию плотностиэнергии в пятне облучения, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью увеличения чувствительности, после каждого моноимпульсного воздействия лазерного излучения на иссле дуемую поверхность дополнительно посылают эллиптически поляризованное монохроматическое излучение с длиной волны в видимой области спектра под углом =50-75, измеряют сдвиг фаз Лотраженно го излучения по отношению.к падающему,строят кривую зависимости от плотности энергии лазерного излучения, а о пороге плазмообразования судят по величине плотности энергии лазерного излучения, со. ответствующей максимуму скачкообразного изменения параметра Ь на этой кривой, при котором бЫбЕ=О и бЛбЕ О, где Е - плотность энергии лазерного излучения,1800294 Риа, 5(Х 56 А) Составитель Ю.Васьковскийедактор Т,Мельникова Техред М,Моргентал Корректор Н.Гунь Заказ 1157 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Рауаская наб,. 4/5 ательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина. 10 Производстве