Способ определения пространственных характеристик мощных сфокусированных лазерных пучков

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОЩНЫХ СФОКУСИРОВАННЫХ ЛАЗЕРНЫХ ПУЧКОВ, включающий взаимодействие лазерного излучения с чувствительным элементом, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности за счет исключения выгорания и оплавления чувствительного элемента, в качестве чувствительного элемента используют островковую пленку вещества, поглощающего падающее излучение , нанесенного на прозрачную ,цля данного излучения подложку, а о характеристиках лазерных пучков судят по изменению геометрических параметров островковой пленки, возникающему в результате процесса коалесценции.

с IlA3 сс.)åè. . ких

СОЦИАЛИС1И ГЕ- СКИХ

Республик (я)5 б 01 J 5/50 гОсулАРГтВеннОе пАтентнОе

ОЕДОМСтВО СССР (ГОСПАт ЕНт CCCPj

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ч (21) 3786762/25 (22) 31.05.84 (46) 15.04.93, Бюл, М 14 (72) А.В.Гектин, Г,В.Птицын и Г.Х.Розенберг (56) Иващенко П.А. и др. Измерение параметров лазеров. М.: Издательство Стандартов, 1982, с, 162.

Заявка Японии М 56-160893, кл. В 23 К

26/18, 1972. (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАН СТВ Е Н Н ЫХ ХАРА КТЕ РИСТИК

МОЩНЫХ СФОКУСИРОВАННЫХ ЛАЗЕРНЪ|Х ПУЧКОВ, включающий взаимодейстИзобретение относится к лазерной тех. нике и может найти широкое применение для определения пространственных харакC теристик узких сфокусированных пучков излучения мощных, например, СО -лазеров.

Цель изобретения —. увеличение точности определения пространственных характеристик мощных сфокусированных лазерных пучков за счет исключения выгорания и оплавления чувствительного эле-. мента.

Процессом, дающим информацию о пространственных характеристиках пучка, в предлагаемом сггособе является коалесценция частиц островковой пленки, происходящая в результате их прогрева при поглощении энергии падающего излучения.

Суть процесса коалесценции заключается в том. что при увеличении температуры островков происходит их миграция 1о подложке и слияние. а также диффузионное растворение малых., 3Ц„, 12ОО646 А1 вие лазерного излучения с чувствительным элементом, отличающийся тем,что,с целью увеличения точности за счет исключения выгорания и оплавления чувствительного элемента, в качестве чувствительного элемента используют островковую пленку вещества. поглощающего падающее излучение, нанесенного на прозрачную для данного излучения подложку, а о характеристиках лазерных пучков судят по изменению геометрических параметров островковой пленки, возникающему в результате процесса коалесценции. островков большими, вследствие чего наблюдается рост их среднего размера со временем, Поскольку скорость роста среднего размера определяется степенью прогрева д островков, то по относитевьной интенсивности прошедшего процесса коалесценции в разных частях пленки (по среднему размеру островков) можно судить о распределении энергии в поперечном сечении пучка.

Поскольку при определенных толщинах пленки размер островков на порядок меньше среднего расстояния между ними, а подполтла прозрачна для иапученчя,то большая )О часть излучения проходит через систему а пленка-подложка, не поглощаясь, Доля энергии, поглощенной островками. незначительна, так как взаимодействие островка с излучением происходит в меру отношения размеров островка к длине волны излучения, величина которого при небольших толщинах пленки много меньше

l 200646 единицы. Вследствие рассмотренных причин коэффициент поглощения излучения островковой пленкой оказывается на несколько порядков ниже, чем в случае сплошного покрытия, являющегося непрозрачной стеной для излучения, и процессы выгорания и оплавления вещества не происходят даже в случае пучков высоких мощностей. При этом, поскольку распространение . энергии из области ее поглощения соседние в островковой пленке происходит со значительно меньшей скоростью, чем в сплошной, данные о форме и размерах поперечного сечения пучка, а также о его местоположении, в данном способе не искажаются, Таким образом, способ применим для мощных лазеров практически любой мощности и любого размера поперечного сечения пучка излучения.

Для данной мощности лазерного пучка время экспозиции, плотность островков и их размер в зависимости от вещества подбираются экспериментально. В частности, изменения плотности островков и их размера можно добиться, в первую очередь, варьированием толщины осаждаемого слоя материала, При этом для всех материалов нижний предел изменения толщины островковой пленки определяется размером островков, необходимым для отчетливого наблюдения процесса коалесценции, а верхний предел определяется переходом от островковой пденки к сплошной, Минимальное время, необходимое для отчетливого наблюдения процесса коалесценции в месте попадания пучка излучения, определяется плотностью, размером островков, а.также материалом островковой пленки, Пример. Пленку золота толщиной 6 нм осаждали на свежий скол кристалла хлористого калия (КО) в вакууме 10 Па в вакуумной установке ВУП-2 путем термического испарения золота из вольфрамовой спирали, разогреваемой за счет прохождения по спирали постоянного электрического тока до температуры Т 1400 К, Скорость осаждения золота составляла 3 10 м/с.

Температура кристалла.KCI 293 К. Толщину пленки золота и скорость его осаждения контролировали кварцевым измерителем тол щин КИТ-1.

Результаты электронно-микроскопиче ских исследований. проведенных с помощью электронного микроскопа 3ВМ-100

Л, указывают на то, что образующаяся на повер> ности кристаллов КГЛ пленка золота является островковай. Плотность частиц золота в указанной пленке 10 м, а их сред1Г -2 ний размер 10 нм.

Определение пространственных характеристик поперечного сечения сфокусированных пучков проводили для лазера ЛГ-22. генерирующего излучения длиной волны

А — — 10,6 мкм мощностью 30 Вт. Кристалл КС! с нанесенной на его поверхность островковой пленкой золота устанавливался перпендикулярно оси лазерного пучка в фокальной плоскости собирающей линзы, расположенной между выходным окном лазера и испытываемым образцом, Выдержки кристаллов

KCI с пленкой золота под лазерным пучком составляли 1, 5, 15, 30 и 45 мин, после чего .поверхности указанных кристаллов просматривали в оптическом микроскопе

"Zetopon". Минимальное время выдержки, необходимое для отчетливого наблюдения процесса коалесценции. составляло 15 мин.

При времени t >15мин в месте попада25 ния лазерного пучка на кристалл в оптическом микроскопе отчетливо наблюдается

55 округлая область, резко отличающаяся по своим оптическим характеристикам от остальной поверхности за счет прошедшего в ней процесса коалесценции, Граница пятна четкая, что говорит о резком спадания интенсивности излучения на краю пучка, отчетливо наблюдаются особенности формы поперечногб сечения пучка, отличающейся от круговой. Структура пятна существенно неоднородна и в нем можно выделить три довольно резко очерченные зоны, которые должны отвечать трем областям в поперечном сечении пучка, существенно отличающимся по интенсивности излучения. Размер пятна для времени т 15 мин не зависит от времени выдержки пленки под пучком, что указывает на достоверность получаемых результатов, Точность определения размера составляет = 10 6 м.

Способ обеспечивает возможность определения пространственных характеристик: размера, места падения, формы и распределения энергии мощных сфокусированных лазерных пучков с большой степенью точности (L =10 м), т. е, позволяет

-6 установить локальность и интенсивность воздействия энергии излучения, что в конечном счете характеризует эффективность использования лазерного пучка в самых различных его технических целях.