Способ определения порога плазмообразования на поверхности твердого тела

Способ определения порога плазмообразования на поверхности твердого тела

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для определения порога плазмообразования на поверхности твердых тел, например элементов лазерных систем. Целью изобретения являИзобретение относится к квантовой электронике и предназначено для определения порогов плазмообразования на поверхности твердого тела. Известны способы измерения порогов плазмообразования различных материалов под действием лазерного излучения, в которых порог измеряется либо с помощью скоростных фоторегистраторов, либо по изменению оптических характеристик излучаемого материала 1. Недостатками способов являются трудоемкость измерения, а также необходимость использования сложной и дорогостоящей аппаратуры. ется сокращение затрат времени и упрощение способа. Поверхность исследуемого твердого тела облучают лазерными импульсами . При воздействии лазерного импульса на поверхность регистрируют свечение, возникающее вблизи поверхности. Возникающее свечение связано с образованием плазмы оптического пробоя при интенсивностях импульса выше порога плазмообразования , при интенсивностях ниже этого порога свечение обусловлено процессами люминесценции. Согласно способу образец облучают двумя сериями импульсов с интенсивностями qi qn...qin и q2 q2l...q2m, удовлетворяющими условиям и , где qco - порог появления свечения; q - порог плазмообразования. При каждом значении q регистрируют интенсивность свечения I, строят зависимость tg I f(lg q), аппроксимируют ее в пределах каждой серии измерений отрезком прямой, a q определяют как значение q, соответствующее точке пересечения этих прямых. 1 ил. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является статистический метод измерения порогов, заключающийся в следующем: образец последовательно облучают сериями лазерных импульсов с различной интенсивностью, но одинаковой интенсивностью в каждой серии , подвергая воздействию каждый раз новое место образца. Далее для каждого значения интенсивности подсчитывают отношение числа случаев, когда наблюдалось плазмообразование, к числу опытов в каждой серии. За порог принимают такое значение интенсивности, при котором вероятность плазмообразования в серии Ј XI 00 ел 2 4

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РеспуБлик (я)з G 01 и 21/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

K АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4441909/25 (22) 1 7.07,88 (46) 23,05.92. Бюл. М 19 (71) Всесоюзный научный центр "Государственный оптический институт им.-С.И.Вавилова" (72) В,П.Крутякова и В.Н.Смирнов

53) 533.9(088.8) (56) 1. Алешин И.В. и др. Оптическая прочность слабопоглощающих материалов, Иэдзо ЛДНТП, 1974, с.12.

2. Горшков Б.Г. и др. Размерный эффект и. статистика лазерного разрушения щелочно-галлоидных кристаллов на длине волны

10,6 мкм. — Квантовая электроника, 1980, т.8, N 1. с,148 — 156. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРОГА

ПЛАЗМООБРАЗОВАНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА (57) Изобретение относится к квантовой электронике и предназначено для определения порога плазмообразования на поверхности твердых тел, например элементов лазерных систем. Целью изобретения являИзобретение относится к квантовой электронике и предназначено для определения порогов плаэмообразавания на поверхности твердого тела.

Известны способы измерения порогов плазмообразования различных материалов под действием лазерного излучения, в которых порог измеряется либо с помощью скоростных фоторегистраторов, либо по изменению оптических характеристик излучаемого материала (1).

Недостатками способов являются тру.доемкость измерения, а также необходимость использования сложной и дорогостоящей аппаратуры.

„„5g „„1735744 А1 ется сокращение затрат времени и упрощение способа. Поверхность исследуемого твердого тела облучают лазерными импульсами. При воздействии лазерного импульса на поверхность регистрируют свечение, возникающее вблизи поверхности. Возникающее свечение связано с образованием плазмы оптического пробоя при интенсивностях импульса выше порога плаэмообразования, при интенсивностях ниже этого порога свечение обусловлено процессами люминесценции. Согласно способу образец облучают двумя сериями импульсов с интенсивностями ц1 = ц11.. ц1п .и ц2 = Q21".Ч2пь удовлетворяющими условиям qe>

q >q*, где qe> — порог появления свечения;

q — порог плазмообразования. При каждом значении q ..регистрируЮт интенсивность свечения t, строят зависимость tg i = f(lg q), аппраксимируют.ее в пределах каждой серии измерений отрезком прямой, à q* оп.ределяют как значение р, соответствующее точке пересечения этих прямых. 1 ил. (y

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является статисти- фь ческий метод измерения порогов, ф заключающийся в следующем: образец по-. следовательно облучают сериями лазерных импульсов с различной интенсивностью, но одинаковой интенсивностью в каждой серии, подвергая воздействию каждый раэ новое место образца. Далее для каждого значения интенсивности подсчитывают отношение числа случаев, когда наблюдалось плазмообразование, к числу опытов в каждой серии. 3а порог принимают такое значение интенсивности, при котором вероятность плазмообраэования в серии со1735744 ставляет 0,5 или 0,75. При этом обычно для определения порога необходимо провести несколько (10) серий по 10 облучений в каждой. Величина порога определяется на основании 10 измерений, а.всего необхо- 5 димо провести 100 облучений (2).

Недостаток метода состоит е необходимости проведения большого (100) числа облучений, для чего требуется либо наличие .образцов большого размера, либо большое 10 их количества, что приводит к значительным затратам времени и усложняет процедуру проведения измерений.

Целью изобретения является сокращения затрат времени и упрощение способа 15 выполнения измерений.

На чертеже приведена зависимость интенсивности свечения поверхности хлористого натрия от плотности мощности лазерного излучения q. 20

Сущность способа заключается е следующем.

Известно,- что воздействие импульсов лазерного излучения на поверхности твердых тел (как в случае прозрачных, так и по- .25 глощающих материалов) с интенсивностью, превышающей некоторое критическое.значение qc, сопровождается возникновением вспышек свечения, природа которых при различных условиях. облучения неодинако- 30 ва: в области значений интенсивности цс <ц<ц* свечение обусловлено, например, адсорболюминесценцией, тепловым излучением поверхностных дефектов, нагретых до.высоких температур, триболюминесценцией и другими. При превышении некоторого порогового значения интенсивности q .вблизи поверхности материала развивается плазма оптического разряда, То значение интенсивности q*, при котором регистриру- 40 ется возникновение плазмы, называется порогом плаэмообразования, ко торый в большинстве практически важных случаев отождествляется с порогом оптического пробоя поверхности, 45

Установлено, что зависимость интенсивности свечения от интенсивности лазерного излучения для многих материалов (например, щелочно-галоидные кристаллы, фтористый барий, фтористый литий, стекло 50

К-8, плавленый кварц и другие) в области значений интенсивности q q* íîсит различный характер и в двойном лога-. рифмическом масштабе описывается двумя прямыми с разными наклонами (чертеж). 5

Этот факт положен е основу предлагаемого способа, Способ опробован для измерения порога плазмообразования на промышленных щелочно-галоидных кристаллах, фтористом литии, фтористом барии, стекле К-8, плавленом кварце.. Исследовано 50 образцов (в большинстве случаев пластины диаметром

60 мм и толщиной 15 мм) с различным типом обработки поверхности (полированные об-. разцы, шлифованные и сколы); Для облучения используют импульсный С02-лазер:с длительностью импульса по основанию 1,5 .мкс. Излучение фокусируют на переднюю поверхность образцов линзой с фокусным расстоянием 500 мм, В каждой серии измерений облучения проводят при 10 значениях интенсивности. Результаты измерения представлены на чертеже; В случае шлифованной поверхности область значений q1 составляет (10 — 20) MÂT/ñì, q2 (30.-100)

* 2 .

МВт/см, а q .27 МВт/cM . Для полированной поверхности область q -(55-85)

МВт/см, q2 - (180-500) МВт/см, q = 100

MВт/см . Полученные значения порогов совпадают с результатами измерений, пол5 ученных другими известными способами, но при этом время на проведение измерений сокращается в 5 раз и используются образцы размерами в 5 раз меньше тех, которые обычно требуются,при измерениях .известными способами. зом.

Способ реализуют следующим обраМатерил облучают последовательно деумя сериями лазерных импульсов с ин-. тенсивностью ц1 = ц11...ц1п и ц2 = Я21;..ц2щ.

Значения интенсивности в серии .должныудовлетворять условиям qq*. соответственно. Минимальное число облучений в каждой серии должно быть не меньше двух. Облучают каждый,раз новый участок образца. При каждом. значении интенсивности регистрируют .интенсивность свечения I. Известно, что в двойном лога.— рифмическом масштабе зависимость от q описывается двумя прямыми,. поэтому "ее строят в виде Ig.l = f(lg q), аппроксимируя результаты измерений I u q в области значений q1 линейной зависимостью вида !ц = а1

Ig q + b1, а е области значений q2 — зависимостью вида !9 = а2 Ig q + Ь2 (а1, а2,.Ь1 и Ь2 — параметры этих зависимостей). Далее по- рог плазмообразоеания. определяют, как значение интенсивности, соответствующее точке пересечения двух прямых зависимостей Ig = f(lg q). Это можно сделать либо графически, либо аналитически, рассчитав параметры а1, а2, Ь1 и b2, например, методом наименьших квадратов, При этом вели-.

Ф чина qопределяется на основании,,20 измерений (по 10 измерений в серии), а не .

100,.как е базовом методе.

1735744

103 Ьи3)г

Составитель В.Крутякова

Техред М.Моргентал Корректор О.Кравцова

Редактор С,Пекарь

Заказ 1811 . Тираж .. Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Способ определения порога плазмообразования на поверхности твердого тела в результате небольшой серии измерений удобен как экспресс-метод в условйях технологических лабораторий. 5

Формула изобретения

Способ определения порога плазмообразования на.поверхности твердого тела, включающий облучение поверхности твердого .тела лазерными импульсами с интенсивно- 10 стями q, регистрацию плазмообразования по интенсивности свечения облученной области, сопровождающего воздействие лазерного импульса на поверхность, и определение интенсивности q*, соответст- 15 вующей порогу плазмообраэования, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью сокращения затрат времени и упрощения способа, дополнительно измеряют интенсивность свечения облученной области твердого тела, при этом результаты измерений.разделяют на две группы — к первой группе относят по меньшей мере два измерения, при которых фиксировалось свечение облученной области без нлазмообразования, а к второй

- по меньшей мере два измерения, при которых фиксировалось плазмообразование, после чего для каждой группы измерений определяют зависимости tg I = f(tg q), апп-.. роксимируют их в виде отрезков прямых линий, а величину интенсивности ц - соответствующую порогу плазмообразования, определяют как точку пересечения прямых линий.