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

 

Использование: для определения порога плазмообразования при действии моно2 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 QH50-75 град, измеряют сдвиг фаз А отраженного излучения по отношению к падающему , строят кривую зависимости сдвига фаз Дот плотности энергии лазерного излучения , а о пороге плазмообразования судят по величине плотности энергии лазерного излучения, соответствующей максимуму скачкообразного изменения параметра на этой кривой, при котором dA/dE On d Д /dE 0, где Е.- плотность энергии лазерного излучения.5 ил. СП с оо О о ю ю 4

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 6 07 J 5/50

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4892622/25 (22) 19.12.90 (46) 07.03.93,Бюл;№ 9 (71) Научно-производственное объединение

"Астрофизика" (72) З.И.Ашурлы, Ю,M.Âàñüêîâñêèé, Л.Н.Горохова, H.È,Êîíþøêèíà, А,С.Коренев, Р.Е,Ровинский и И.С.Ценина (56) Громов В,И„Калинин А.А. и др, Влияние микропрофиля облучаемой поверхности на возникновение плазменного факела. //

Квантовая электроника, 1988, т,15, ¹ 3. ..526-530, Баева Н.А, и др. Измерение энергетических затрат на образование приповерхностной плазмы при облучении металлических и диэлектрических мишеней импульсом СОг. лазера. // Квантовая электроника, 1986, т,13, ¹ 3, .с..493-498, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРОГА

ПЛАЗМООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ДЕЙСТВИИ

МОНОИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОЛИРОВАННУЮ МЕТАЛЛИЧЕСКУЮ ПОВЕРХНОСТЬ (57) Использование: для определения порога плазмообразования при действии моноИзобретение относится к технологии лазерно-плазменной обработки материалов и может быть применено для контроля и обеспечения заданной степени лазерного воздействия на полированную металлическую поверхность, Целью изобретения — повышение чувствительности идостоверности способа путем, регистрации изменений микрошероховато— т.. Ж 1800294 А1 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

a=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 коивой, при котором бЛ/dE=O и

d Л /dE <О, где Š— плотность энергии лаг зерного излучения, 5 ил. сти исследуемой поверхности металла в результате воздействия лазерного излучения.

При этом характеристикой микрошероховатости поверхности является эллипсометрический параметр Ь который, как известно, убывает при увеличении микрошероховатости.

Поставленная цель достигается тем, что по способу, включающему последователь1800294 ное облучение участков исследуемой поверхности моноимпульсным лазерным излучением при увеличении энергии лазерного импульса и регистрацию энергии в пятне облучения, после каждого моноимпульсного воздействия лазерного излучения исследуемую поверхность дополнительно зондируют эллиптически поляризованным монохроматическим излучением с длиной волны в видимой области спектра при наклонном падении излучения и измеряют сдвиг фаз.Л отраженного излучения по отношению к падающему, строят кривую зависимости Л от плотности энергии лазерного излучения, а о пороге плазмооб- 15 рэзования судят по величине плотности энергии лазерного излучения, соответствующей максимуму скачкообразного изменения параметра Л на этой кривой, при котором б®бЕ=О и dAÜ/dE <О, где Š— плотность энергии лазерного излучения.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что перечисленные отличительные признаки способа являются новыми и дают воэможность получить эффект, не характерный для известного технического решения, о чем свидетельствуют данные. приведенные в примерах, Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию 30

"новизна", Анализ известных технических решений (эналогов) в исследуемой области, т.е. технологии лазерно-плазменной обработки материалов в смежных областях, позволяет 35 сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом способе, и признать заявляемое решение соответствующим критерию "существенные отличия". 40

Изобретение поясняется чертежами (фиг.1-5).

Предложенный способ осуществляется следующим образом (фиг.1), Ряд участков исследуемой поверхности 2 последователь- 45 но облучают моноимпульсным лазерным излучением 1, увеличивая плотность энергии лазерного излучения в каждом последующем участке. После каждого моноимпульсного воздействия лазерного излучения 50 дополнительно зондируют облученную поверхность эллиптически поляризованным . монохроматическим излучением с длиной волны в диапазоне 400-600 нм при углах падения 50-75 град. и с помощью нуль-эл- 55 липсометра 3 измеряют сдвиг фаз Л отраженного излучения по отношению к падающему, строят кривую зависимости параметра Л от плотности энергии лазерного излучения, а о пороге плазмообразования судят по величине плотности энергии лазерного излучения, соответствующей максимуму скачкообразного изменения параметра на этой кривой, при котором бЛ/бЕ=Ои

d Л /dE <О,.где Š— плотность энергии ла2 2 зерного 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 COz — лазера на поверхность медных и алюминиевых зеркал был определен предлагаемым способом и способомпрототипом, В проведенных экспериментах был использован импульсный электроразрядный COz-лазер. Длительность лазерного импульса составляла 2,5 мкс. Общая энергия лазерного импульса измерялась графитовым калориметром, обеспечивающим абсолютную точность 5, 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 1=436 нм и 1=546 нм при угле падения 70 град. Абсолютная погрешность в определении Л сост-авлялэ й0,1, 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 4Л/бЕ=О и dh, /dE (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.

1800294

При определении порога плазмообразования по способу-прототипу за порог принималась величина минимальной плотности энергии, при которой с помощью ФЭУ61 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 Л (0,1) составляет 1520.

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

5 относительно исследуемой поверхности; — реализация предлагаемого способа возможна на стандартном метрологически аттестованном нуль-эллипсометре.

В настоящее время на предприятии раз10 работана методика определения порогов плазмообразования при действии моноимпульсного излучения СО -лазера на полированную металлическую поверхность и проведены испытания. Использование на15 мечено по плану 1992 г.

Формула изобретения

Способ определения порога плазмообраэования при действии моноимпульсного лазерного излучения на полированную ме20 таллическую поверхность, включающий последовательное облучение участков исследуемой поверхности моноимпусным лазерным излучением при увеличении энергии лазерного импульса в каждом последу25 ющем облучении и регистрацию плотности энергии 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 иссле30 дуемую поверхность дополнительно посылают эллиптически поляризованное монохроматическое излучение с длиной волны в видимой области спектра под углом

a=50-75о, измеряют сдвиг фаз Лотраженно35 ro излучения по отношению.к падающему, строят кривую зависимости от плотности энергии лазерного излучения, а о пороге плазмообразования судят по величине плотности энергии лазерного излучения, со40, ответствующей максимуму скачкообразного изменения параметра Л на этой кривой, при котором dNdE=O и db, /dE <О, где Е— плотность энергии лазерного излучения, 1800294

Фиа. P(A *4Ы8 А) 3800294

1800294

3 и

®й 4(Л 45 рд) . 2,5 4 о 6

Я ив, Б(Х -546 4) Составитель Ю.Васьковский

Редактор Т,Мельникова Техред М,Моргентал Корректор Н.Гунько

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

Заказ 1157 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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