Методы измерения импульса давления на поверхности

НИЯУ МИФИ
ФАКУЛЬТЕТ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ
И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
Кафедра № 70
ЛАЗЕРНАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ
Лекция-8
ТЕСТ 8-я неделя
Методы исследования взаимодействия
мощного лазерного излучения с
веществом
Исследуются следующие параметры:
вынос массы m [мг]
удельный вынос массы  = m/E [мг/Дж]
удельная энергия разрушения  =E/m = 1/ [Дж/г]
интегральный импульс отдачи I [н с]
удельный импульс отдачи J = I/Q [н с / Дж/см2], где Q [Дж/см2] – плотность энергии
кинетика разрушения: – зависимость диаметра и глубины лунки от времени – d(t), h(t), h/d (t).
порог разрушения W [Дж/см2]
скорость фронта плавления vm [см/c]
скорость фронта испарения vb [см/c]
скорости разлета частиц, пара, плазмы [см/c]
критические плотности мощности qc1, qc2, qc3 [Вт/см2],
порог плазмообразования qпл [Вт/см2],
давление на поверхности P [атм]
температура плазмы Tпл и ее зависимость от расстояния до поверхности.
Оптические свойства: - поглощающая способность A = 1-R;
коэффициент поглощения  [см-1]
зеркальный коэффициент отражения Rз
диффузный коэффициент отражения коэффициент отражения Rд
Схема экспериментальной установки
Излучение мощного лазера через систему пассивных фильтров, отклоняющую и
фокусирующую оптические энергетические системы и создает на поверхности образца
необходимые плотности мощности и плотности энергии для проведения того или иного
технологического процесса. Система пассивных фильтров служит для дискретного изменения
плотности мощности на образце без изменения параметров лазерного импульса. С целью
изменения формы импульса в установке предусмотрена возможность выбора типа резонатора:
плоско- параллельный, сферический, полу- сферический, а также возможность модуляции
добротности резонатора с помощью активных фильтров. Часть излучения отклоняется для
осуществления мониторинга импульса с помощью измерителя энергии и фотодетектора.
Блок синхронизации служит для запуска записывающего осциллографа и скоростного
фоторегистратора, регистрирующего результат воздействия лазерного излучения на
исследуемый образец.
Скоростная фоторегистрация
Скоростной фоторегистратор (например ВФУ-1) может работать
в двух режимах: в режиме щелевой развертки и в режиме лупы
времени.
В первом случае в объективе регистратора устанавливается узкая
щель, изображение которой над поверхностью материала
фиксируется на фоточувствительной пленке. Движение
изображения щели по пленки с помощью быстро вращающегося
зеркала позволяет фиксировать во времени процесс разлета
частиц, пара и плазмы, возникающих на поверхности под
действием лазерного излучения. На фоторегистрограмме
появляются траектории движения частиц, пара и плазмы, причем
тангенс наклона к оси времени дает значение скорости разлета.
В режиме лупы времени перед чувствительной пленкой
вкладывается вставка из набора мини-линз, каждая из которых
фиксирует изображение поверхности образца в определенный
момент времени.
Кинетика разрушения
Для реализации возможности одновременного наблюдения
процесса разлета частиц и пара над поверхностью образца и
динамики образования лунки и разрушения материала внутри
образца используется метод полупрозрачной мишени. В этом
случае к полированной поверхности металлического образца
механически прижимается кварцевая (стеклянная) пластина, а
лазерное излучение фокусируется на границу раздела так, что
она делит лазерный луч пополам. Половина излучения проходит
свободно через прозрачную мишень, в то время, как другая
половина испаряет металл. При этом настроенный для
наблюдения через прозрачную мишень фоторегистратор в
режиме лупы времени позволяет наблюдать как процессы над
поверхностью образца, так и под его поверхностью, т.е.
фиксировать динамику разрушения.
Кинетика разрушения
На рисунке приведены кинокадры, показывающие развитие лунки и формирование
струи испаренного металла при воздействии импульса лазера на стекле с неодимом с
энергией 150 Дж и длительностью 2 мс на полупрозрачную мишень магний- кварц,
снятые со скоростью 105 кадров в секунду.
Скоростные фоторегистрограммы
Характерные фоторегистрограммы разлета частиц, пара и плазмы при воздействии
импульса рубинового лазера на поверхность алюминия при атмосферном давлении.
Можно наблюдать что скорость разлета частиц падает при удалении от поверхности за
счет противодавления атмосферы. Однако присутствуют также и ускоряющиеся в
процессе разлета частицы. Это возникает вследствие испарения частиц под действием
лазерного излучения, приводящего к эффекту реактивного движения.
При увеличении плотности мощности на поверхности до qпл  108-109 вт/см2 над
поверхностью возникает эрозионный плазменный факел, фронт движения которого
также фиксируется на фоторегистограмме. Можно наблюдать, что периодически
происходит разрыв фронта вследствие гашения плазмы из-за эффекта сильной
экранировки поверхности плазмой, активно поглощающей лазерное излучение.
Динамика разрушения поверхности
Динамика разрушения поверхности свинцовой мишени при воздействии импульсом
рубинового лазера с энергией 20 Дж и длительностью импульса 1.2 мс. Съемка
произведена на скоростном фоторегистраторе ВФУ-1 (максимальная скорость съемки –
2,5 106 кадров в секунду) при подсветке поверхности зондирующим лазером,
работающим в режиме упорядоченных пульсаций. Число пичков с импульсе
зондирующего лазера составляет 12, что соответствует числу кадров скоростной
фотосъемки.
Современные скоростные
фоторегистраторы
Камера высокоскоростной видеосъемки VS-FAST/G6
(НПО «Видеоскан»).
Скорость записи:
500 кадров/с с разрешением 12801000 пикс., 1000
кадров/с с разрешением 1280500 пикс., 10000 кадров/с
с разрешением 128050 пикс.
В камере используется КМОП-сенсор фирмы Micron
разрешением 12801024 пиксела.
Объем памяти 6 Гбайт.
Современные скоростные
фоторегистраторы
Технические характеристики высокоскоростных видеокамер
фирмы Redlake
Камера HG-100KMotionProMotion Scope PCIMotion Meter
Полное разрешение1504х11081280х1024480х420292х220
Максимальная частота съемки с полным разрешением,
кадр/с1000 500 250
Максимальная частота
съемки, кадр/с 100000 10000 8000
Время записи с максимальным
разрешением и максимальной
частотой съемки, с 1,2 до 10
Тип сенсора CMOSCMOSCCDCCD
Цветная или черно-белая версии
Современные скоростные
фоторегистраторы
Технические характеристики высокоскоростных видеокамер
фирмы VS-FAST
Максимальная частота
съемки, кадр/с 50000
Размер пикселя 12 * 12 мкм
___________________________________
Электронно-оптическая камера К 004
Полное время развертки на весь экран: 0,3-1000 мкс
Временное разрешение – 1 нс,
Длительность экспозиции кадра – 0,1 – 10 мкс
Интервал между кадрами – 0,5 – 100 мкс
Методы измерения импульса
давления на поверхности
Пьезоакустический метод, основанный на использовании
пьезочувствительных материалов, эффективно преобразующих механическое
воздействие в электрический сигнал. В качестве датчиков при длительностях
импульса в милисекундном диапазоне удобно использовать пьезокерамики, в
микросекундном диапазоне – кварц, в наносекундном диапазоне – тонкие
полимерные пленки.
Принципиальная схема датчика: образец, на поверхность которого
воздействует лазерный импульс размещается на пьезодатчике,
соприкасающимся другой поверхностью со звукопроводом, окруженным
звукопоглощающим материалом (звукоизолятором).
Материал звукопровода должен подбираться из условий минимального
коэффициента отражения упругой волны  на границе пъезоэлементзвукопровод.
 = (2s2 - 1s1/ 2s2 + 1s1)2, где s2 , s1 – скорости звука, 2 , 1 – удельные
плотности сред.
Отсутствию отражения соответствует условие равенства акустических
сопротивлений 2s2 = 1s1 .
Методы измерения импульса
давления на поверхности
Электрический сигнал с такого датчика U(t) достаточно точно повторяет
функцию давления отдачи P(t), возникающего на поверхности образца.
Верхний луч – лазерный импульс, нижний луч – сигнал давления при
плотности мощности ниже порога плазмообразования.
Методы измерения импульса
давления на поверхности
Электрический сигнал с такого датчика U(t) достаточно точно повторяет
функцию давления отдачи P(t), возникающего на поверхности образца.
Верхний луч – лазерный импульс, нижний луч – сигнал давления при
плотности мощности выше порога плазмообразования. Наблюдается
автоколебательный процесс вследствие экранировки плазмой поверхности.
Методы измерения оптических
характеристик при лазерной абляции
Схема измерения пропускания аблируемых каналов с помощью
интегрирующей сферы
Методы измерения результатов
разрушения
Микрошлифы каналов различной длины, сформированных в
стали пикосекундными импульсами: «мелкий» канал (пробой
на частицах отсутствует; «глубокий канал» (пробой имеет
место). J =75 Дж/см2>> J2, t = 300 пс