Описание экспериментальной установки

Е.Ю. Локтионов, В.Д. Телех

Лабораторная работа № II-3

Измерение порога оптического пробоя прозрачных диэлектриков под действием импульсов лазерного излучения

Методические указания к лабораторному практикуму

по курсу

«Промышленные лазерные установки»

Москва

ИЗДАТЕЛЬСТВО

МГТУ им. Н.Э.Баумана

2017

УДК

ББК

Л

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru

по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/…

Факультет «Энергомашиностроение»

Кафедра «Плазменные энергетические установки»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом МГТУ им. Н.Э.Баумана в качестве методических указаний

Локтионов, Е.Ю.

Измерение порога оптического пробоя прозрачных диэлектриков под действием импульсов лазерного излучения: Методические указания к лабораторному практикуму по курсу «Промышленные лазерные установки» / Е.Ю. локтионов, В.Д. Телех. – Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2017. – 21 с.: ил.

    ISBN

Кратко рассмотрены основные механизмы разрушения прозрачных сред под действием импульсов лазерного излучения. Приводится описание методики экспериментального определения порога пробоя прозрачных диэлектриков. Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению подготовки 16.03.02 «Высокотехнологические плазменные и энергетические установки».

УДК

ББК

Ó МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2017

Ó Оформление. Издательство МГТУ                                                                       им. Н.Э.Баумана, 2017

Содержание

Предисловие.................................................................................................... 4

Введение.......................................................................................................... 5

Описание экспериментальной установки....................................................... 7

Порядок выполнения работы......................................................................... 9

Заключение.................................................................................................... 12

Форма лабораторного протокола................................................................ 13

Контрольные вопросы.................................................................................. 14

Оценка качества выполнения лабораторных работ.................................... 14

Список рекомендованной литературы......................................................... 15

Приложение 1................................................................................................ 16

Приложение 2................................................................................................ 17

раздел II. Диагностика и метрология процессов взаимодействия мощного излучения с конструкционными материалами

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № II-3 (Б)

Измерение порога оптического пробоя прозрачных диэлектриков под действием импульсов лазерного излучения

Предисловие

Настоящее учебно-методическое пособие разработано в соответствии с самостоятельно устанавливаемым образовательным стандартом (СУОС)по направлению подготовки 16.03.02 «Высокотехнологические плазменные и энергетические установки» (уровень бакалавриата) и относится к разделу I курса «Промышленные лазерные установки» – Оптические и теплофизические характеристики конструкционных материалов и активных сред лазерных систем.

После освоения материала студент приобретет знания об основных механизмах формирования повреждений в объеме и на поверхности прозрачных диэлектриков под действием импульсов лазерного излучения; получит навыки самостоятельной работы с лабораторным и измерительным оборудованием; овладеет экспериментальной техникой определения порога оптического разрушения в объеме и на поверхности прозрачных диэлектриков.

Цель и задачи работы: ознакомиться формирования повреждений в объеме и на поверхности прозрачных диэлектриков под действием импульсов лазерного излучения и экспериментально определить значение порогов оптического разрушения в объеме и на поверхности прозрачных диэлектриков.

Приборы и оборудование: твердотельный лазер Lotis TII LS-2147, лазерный диод, исследуемый образец, фотодиоды, калориметр
Ophir 30A-P-RP, цифровой запоминающий осциллограф Tektronix TDS2024B, оптическая скамья, оптические элементы – фильтры, линзы, пластины.

Введение

Определение лучевой прочности оптических элементов силовых лазерных установок, применяемых в различных технологических циклах и научных исследованиях, – одна из актуальных задач развития лазерной техники и лучевых технологий [1]. Выявление физических причин оптического разрушения широкозонных диэлектриков и зависимости лучевой прочности оптических материалов является актуальной задачей, особенно в связи с ростом удельной выходной мощности лазерных установок и повышением требований к их ресурсу. Лучевая прочность материалов зависит от их структуры, условий окружающей среды и, характеристик лазерного излучения. К таким характеристикам относятся: длина волны l, длительность импульса t_0,5, диаметр пятна фокусировки d, частота следования импульсов f, полное время воздействия t, плотность мощности W или энергии E в зоне оптического воздействия.

Для любого уровня мощности и режима работы лазера вероятность повреждения обычно выше для поверхности оптического элемента, чем для его объема. Таким образом, предельное значение интенсивности излучения для оптического элемента часто определяется порогом повреждения специального покрытия на его поверхности. Объемное повреждение наблюдается, если напряженность электрического поля в объеме оптического элемента увеличивается вследствие самофокусировки, интерференции, рассеяния или других эффектов. Кроме того, местные дефекты, такие как включения, дислокации, центры окраски или неоднородности могут снизить предельную допустимую мощность в объеме прозрачного диэлектрика. Повреждение однократным лазерным импульсом часто вызывается дефектами или механическим напряжением в покрытии, загрязнением поверхности или поглощением, приводящем к катастрофическому нагреванию поверхности. При многократном воздействии наблюдаются не только временные повреждения, вызванные

· нагревом,

· деформациями,

но также и постоянные, вызванные

· старением,

· образованием микродефектов,

· адсорбцией влаги,

· образованием или миграцией дефектов.

Различают два вида оптического пробоя:

· собственный,

· несобственный.

В первом случае имеют в виду пробой, инициируемый в самой матрице и не связанный с наличием в материале дефектов, например, поглощающих неоднородностей. Механизмы собственного пробоя(лавинная или многофотонная ионизация и пороговое сужения запрещенной зоны диэлектрика) реализуются при острой фокусировке и интенсивностях излучения . Острая фокусировка необходима для исключения влияния на развитие пробоя различного рода дефектов.

Стандарт ISO 21254:2011 устанавливает следующие определения: повреждение поверхности – любое постоянное лазерно-индуцированное изменение характеристик поверхности образца, которое может наблюдаться в результате исследования с чувствительностью методов, соответствующей предполагаемым условиям использования продукта. Повреждение может иметь место как на обращенной к излучению поверхности, так и на обратной, пороги для этих поверхностей могут отличаться. Аналогичное определение дается для объемного повреждения.

Порог – наибольшая величина плотности энергии или мощности лазерного излучения, для которой экстраполированная вероятность повреждения равна нулю. Пороги повреждения определяются двумя способами при:

· однократном (1-on-1)

· многократном (S-on-1)

воздействии на одну и ту же область. Первым способом определяют лучевую прочность, а вторым – лучевую стойкость материала.

Принято различать два вида порогов

· физический;

· технический.

Физическим порогом разрушения материала называют такую плотность энергии или мощности излучения, при которой происходят необратимые изменения оптических характеристик образца (пропускания, рассеяния, отражения) исследуемого материала. Изменение указанных характеристик является следствием образования разрушения, формирование которого сопровождается яркой вспышкой оптического излучения. Техническим порогом разрушения называют такую плотность энергии или мощности излучения, при которой нарушается работоспособность изделия, изготовленного из исследуемого материала, вследствие изменений его оптических характеристик, превышающих допустимые.

При многократном воздействии на новые материалы или оптику для ответственных применений требуется большое количество измерений
( ). Пороговая плотность энергии определяется, в соответствии с определенной вероятностью повреждения образца (обычно принимается 10 %, 50 % или 90 %) при заданном числе воздействий. В остальных случаях используется менее трудоемкий экстраполяционный метод: по гистограмме числа воздействий с определенной плотностью энергии, требуемой для повреждения. В любом случае, следует с максимальной подробностью фиксировать все условия и параметры воздействия, стараясь сохранять их максимально однородными в процессе измерений.

Описание экспериментальной установки

Оптическая схема лабораторной установки представлена на рисунке 1. Энергия лазерного излучения может регулироваться дискретно, начиная с минимального значения, которое может существенно отличаться от нуля. Как правило, лазерные системы рассчитаны на стабильную работу при энергии излучения, близкой к максимальной. Для более плавного регулирования мощности выходного лазерного излучения при сохранении стабильности его параметров используются нейтральные светофильтры, устанавливаемые вблизи выходного отверстия лазера. Для контроля действующего значения энергии лазерного импульса используется фотодиод 3, на который кварцевой пластинкой 2 отражается  излучения. Фотодиод 3 предварительно калибруется с использованием калориметра 5. Лазерное излучение фокусируется в объеме образца 6 линзой 4. Образец устанавливается под острым углом к оптической оси лазера для удобства реализации зондирующего плеча. Излучение диодного лазера 8 фокусируется в ту же область в объеме мишени, что и излучение твердотельного лазера 1. После прохождения через образец часть пучка вырезается диафрагмой 10 и коллимируется следующей диафрагмой 10 перед попаданием на фотодиод 3. В случае повреждения образца зондирующее излучение начинает сильно рассеиваться, и сигнал фотодиода резко уменьшается.

1 – твердотельный лазер, 2 – кварцевая пластинка, 3 – фотодиод,
4 – фокусирующая линза, 5 – калориметр, 6 – образец, 7 – ловушка излучения, 8 – диодный лазер, 9 – осциллограф, 10 – диафрагма,
11 – светофильтр

Рисунок 1 – Схема лабораторной установки

Порядок выполнения работы

Внимание! Перед включением лазерного излучения все находящиеся в помещении люди должны надеть соответствующие защитные очки (см. приложение 2)! Помните, что эти очки защищают глаза от отраженного и рассеянного, но не от прямого попадания лазерного излучения!

Задание.Экспериментально определить энергетический порог повреждения прозрачного образца.