» » Способы изменения условий обучения, особенности облучаемых материалов
24.12.2014

Луч лазера идет из источника с конечной апертурой, он имеет минимальный угол расходимости, обусловленный дифракцией. Это ограничение описывается соотношением
Способы изменения условий обучения, особенности облучаемых материалов

где θ — угол расходимости, λ — длина волны света; а — действующее отверстие (апертура).
В действительности для рубинового лазера не удается получить такую высокую степень коллимирования луча. Типичные углы расходимости имеют порядок 0,05/1°. Минимальный диаметр пятна D, который может быть получен путем оптической фокусировки, составляет
Способы изменения условий обучения, особенности облучаемых материалов

где f — фокусное расстояние фокусирующей линзы.
Площадь пятен равна соответственно
Способы изменения условий обучения, особенности облучаемых материалов

Легко подсчитать изменение площади и диаметра фокального пятна при изменении отношения фокусного расстояния линзы к апертуре для случая рубинового лазера, излучающего свет с длиной волны 6943 А, и построить кривую изменения плотности теплового потока при тех же условиях фокусировки и данной энергии импульса лазера.
Из анализа этой кривой можно получить два важных следствия, имеющих значение при использовании лазера для воздействия на твердое тело. Во-первых, возможность получения очень больших плотностей энергии при использовании линз с малым фокусным расстоянием и большой апертурой, т. е. лазер может быть использован для лабораторного моделирования процессов в материалах при действии сверхвысоких температур. Во-вторых, наилучшим методом контролирования энергии лазера в тех случаях, когда нужно получить нагрев, плавление и испарение поверхности, является выбор апертуры и фокусного расстояния линзы.
Для расчета плотности энергии в потоке можно воспользоваться правилами геометрической оптики. При площади сечения потока излучения до линзы S0 площадь сечения сфокусированного потока излучения S1 будет равна
Способы изменения условий обучения, особенности облучаемых материалов

где I — расстояние от плоскости линзы до интересующей нас плоскости сечения потока, f0 — фокусное расстояние линзы. В большинстве случаев для линз с фокусным расстоянием f0 = 5 см, это соотношение можно применять при расстояниях сечений от фокуса, превышающих 1 мм; минимальная площадь сфокусированного пучка излучения, определяемая дифракцией, сферической аберрацией и расходимостью пучка, составляет около 1*10в-4 см; существенные затруднения при расчетах возникают из-за неоднородности интенсивности лазера по сечению.
Для импульса в режиме свободной генерации при дефокусировке луча можно обнаружить микронеоднородности.
При гигантском импульсе более существенным эффектом является макронеоднородность излучения, центральная часть пучка значительно интенсивнее наружных областей, микронеоднородность в этом случае также существует, причем освещенность в отдельных участках сечения сфокусированного излучения может в 30/50 раз превышать среднюю освещенность по сечению. Это необходимо учитывать при определении энергетического порога разрушения материалов световым лучом.
Для исследования действия облучения применялись образцы, изготовленные из различных материалов (металлов, сплавов, полупроводников, ионных кристаллов, полимеров, стекол). Поверхность образцов подвергалась шлифовке и полировке. Образцы устанавливались на координатный столик, полированная поверхность располагалась перпендикулярно оси луча лазера. Между лазером и образцом устанавливались линзы с различным фокусным расстоянием.
Облучение проводилось по различным режимам с изменением как плотности энергии и мощности, так и геометрии и длины волны светового луча. Применялись следующие способы изменения условий облучения (для простоты будем считать исходным положение, при котором поверхность образца совпадает с точкой фокуса линзы).
1. Изменение расстояния от линзы до образца. Для непрозрачных материалов это приводило к увеличению площади облучаемого пятна и, следовательно, к уменьшению плотности энергии. Для прозрачных материалов уменьшение расстояния от линзы до образца (стекла или полиметилметакрилата) приводило к тому, что фокус линзы погружался в образец, т. е. за счет различия коэффициентов преломления воздуха и образца фокусное расстояние увеличивалось. При этом в предельных случаях при достаточно коротких образцах фокус выходил за заднюю грань образца.
Уменьшение расстояния от образца до линзы приводило к тому, что на образец падал сходящийся пучок лучей, при увеличении этого расстояния образец облучался расходящимся пучком.
2. Изменение интенсивности света при постоянных геометрических условиях облучения и распределения интенсивности во время импульса. В этих опытах изменение интенсивности достигалось либо изменением энергии накачки импульсных ламп, либо помещением между лазером и образцом нейтральных фильтров, либо, наконец, использованием лазеров различных конструкций с различной энергией излучения.
3. Изменение плотности мощности излучения в широких пределах. Изменение мощности на 5 порядков без существенного изменения общей энергии импульса можно было получить, переходя от обычного импульса длительностью 10в-3 сек к гигантскому импульсу длительностью 10в-8 сек.
4. Изменение длины волны светового излучения. Этот эффект был исследован путем применения лазеров на рубине (красный свет с длиной волны 6943 А), на стекле, активированном неодимом (невидимый инфракрасный свет с длиной волны 10 600 А), а также с помощью специальных схем, позволяющих получить вторую гармонику инфракрасного излучения неодимового лазера (зеленый свет с длиной волны 5300 А).
5. Изменение размеров и формы образцов. Для случая непрозрачных материалов применялись пакеты тонких фольг, расположенных параллельно и перпендикулярно направлению луча, что дало возможность получить продольные и поперечные сечения профиля поверхности разрушения. Кроме того, применялись пакеты из разнородных материалов. При исследовании прозрачных материалов применялись образцы в форме прямоугольных призм и цилиндров, позволяющие оценить роль различных процессов взаимодействия упругих волн в материале.
6. Изменение формы сечения светового луча. Для этой цели применялись линзы как сферические, дающие пучок в форме конуса, так и цилиндрические, дающие пучок в форме клина.
7. Изменение окружающей среды. Для этого опыты проводились в воздухе, в вакууме (10в-5 мм рт. ст.), в поверхностно-активных средах. Отметим также возможность создания цилиндрического светового пучка для получения и обработки глубоких цилиндрических отверстий малого диаметра. Условием получения такого луча является l=d/α*D, где d — диаметр луча на выходе лазера, l — расстояние от лазера до переднего фокуса оптической системы, α — угол расхождения луча.
Способ обработки материалов, при котором образец помещается в фокальную плоскость оптической системы, позволяет получать и обрабатывать круглые отверстия при использовании сферической оптики и щели при использовании цилиндрической оптики.
Предложен способ получения произвольного узора на поверхности при помощи масок. При этом пучок света лазера с помощью осветительной оптической системы (например, телескопа) расширяется до размеров маски, изображение которой проектируется посредством линзы или более сложной оптической системы на обрабатываемый образец с необходимым уменьшением. Назначением осветительной системы является расширение пучка света лазера до полного перекрытия маски и одновременное уменьшение плотности энергии до величин, обеспечивающих сохранность маски. Проекционная система создает изображение рисунка маски, уменьшенное до заданных размеров, при которых плотность энергии достаточна для испарения, плавления или термической обработки материала.
Наиболее важными параметрами оптической системы при этом являются линейное уменьшение проекционной системы β и линейное увеличение осветительной системы βt, определяющие разрешающую способность и площадь одновременно обрабатываемой поверхности. Номинальное уменьшение проекционной системы β = DM/Dn, где DM — размер маски или щели в ней, Dn — размер изображения соответствующего элемента.
Минимальное уменьшение βmin определяется из условия получения заданной плотности энергии на образце при отсутствии разрушения маски:
Способы изменения условий обучения, особенности облучаемых материалов

где QM и Qn — пороговые плотности энергии для обработки материала и разрушения маски.
Максимальное уменьшение проекционной системы ограничено дифракционными явлениями и определяется как
Способы изменения условий обучения, особенности облучаемых материалов

здесь λ — длина волны излучения, dmin — размер минимальной щели в маске, D — диаметр входного зрачка проекционной системы, f — фокусное расстояние проекционного объектива.
При заданной величине β можно найти размер щели в маске dM=βd' общий размер маски DM=βD', где D' — размер всего изображения, расстояние между маской и оптической системой l=βf.
Произведение D'Δ, где Δ — разрешающая способность изображения (размерность — линии/мм), сохраняется постоянным независимо от параметров проекционной системы. Таким образом, чем выше требуемая разрешающая способность рисунка на образце, тем меньше будет площадь одновременной облучаемой поверхности. Линейное увеличение оптической системы выбирается таким, чтобы обеспечить полное перекрытие маски световым пучком. Плотность энергии на выходе луча лазера Q должна удовлетворять условию
Способы изменения условий обучения, особенности облучаемых материалов

Отметим, что для получения больших уменьшений необходимо значительное увеличение размеров оптической системы и переход к коллективным линзам. Если размер маски меньше размера области генерации, то осветительная система не требуется. Проекционная система не нужна, если не. требуется уменьшения размеров маски. В этом случае маска из теплостойкого материала может накладываться на образец.
Перечислим классы исследованных материалов.
1) Основная часть работы проведена на металлах. Так как один из основных эффектов лазерного облучения связан, как оказалось, с интенсивным выделением тепла, то для исследования взята серия из 30 металлов с различными тепловыми свойствами. В качестве примера можно указать, что исследованы металлы с температурами плавления от 29° С (галлий) до 3550° С (вольфрам) в виде поликристаллов и специально выращенных монокристаллов высокой чистоты.
2) Металлические сплавы исследованы как материалы, способные к существенному упрочнению при фазовых переходах. Изучены сплавы на основе железа (стали, чугуна), алюминия, титана, вольфрама, меди и т. д., подвергнутые различным видам предварительной термической обработки.
3) Ионные кристаллы исследованы в качестве материалов, прозрачных для световых лучей, в которых можно одновременно исследовать как геометрию разрушения, так и распределение пластической деформации (дислокационные ямки травления).
4) Прозрачные полимеры (полиметилметакрилат, полистирол, эпоксидные смолы и т. д.) представляли интерес для исследования, так как в них можно было ожидать появления внутреннего разрушения и термического разложения под действием света, а также поляризационных эффектов от внутренних напряжений, непрозрачные кристаллические полимеры (капрон и т. д.) могли давать эффекты деформации и фазовых переходов.
5) В прозрачные «аморфных» стеклах различного состава (свинцовых, оптических, ситалловых и т. д.) можно было наблюдать геометрию внешнего и внутреннего разрушения, а также ряд фотохимических эффектов, например образование скрытого изображения в светочувствительных стеклах. В кристаллических стеклах (ситаллах) кроме разрушения можно было наблюдать эффекты переходов под действием светового излучения.
6) В элементарных диэлектриках и полупроводниках (сера, углерод, германий, кремний) и в полупроводниковых соединениях (GaP, InSb и т. д.) удалось наблюдать эффекты горения, разрушения, термического разложения, образования дислокаций.
Энергия лучей современных лазеров достаточно велика для того, чтобы привести к разрушению любые твердые тела. Однако механизм этого разрушения является достаточно сложным и меняется при изменении характеристик твердого тела (коэффициента поглощения света, типа химической связи, состава, структуры, тепловых характеристик, механических свойств и т. д.) и характеристик излучения лазера (длина волны света, энергия, мощность).
Приведем технические характеристики некоторых современных импульсных лазеров и режимы облучения.
Режим свободной генерации. Интервал энергий W=1/100 дж, время импульса t≈10в-3 сек, средняя мощность P=10в3/10в5 вт, энергия выделяется в виде 504-100 отдельных пиков (пичков) длительностью около 10в-6 сек, разделенных интервалами. Возможны и другие виды распределения энергии в импульсах, например, беспичковый или квазинепрерывный импульс.
Режим гигантских импульсов. Интервал энергий W = 0,1/10 дж, средняя мощность 10в7/10в9 вт, время импульса t≈10в-8 сек, энергия выделяется в виде одного пика. Схемы осциллограмм импульсов приведены на рис. 1.1.
Свет обычно фокусируется с помощью линз, площадь круга фокусировки в точке фокуса достигает 10в-4 см2, т. е. плотность энергии в месте фокусировки для случая свободной генерации составляет 10в4/10в6 дж/см2, для случая гигантских импульсов 10в3/10в5 дж/см2, плотность мощности — соответственно 10в9/10в7 вт/см2 и 10в11/10в13 вт/см2. Уменьшение плотности энергии можно получить различными способами (дефокусировка луча, ослабление фильтрами и т. д.).
Способы изменения условий обучения, особенности облучаемых материалов

Некоторые опыты проводились на лазерах непрерывного действия с мощностью до 10в3 вт. Типичные длины волн для импульсных рубиновых и неодимовых лазеров — соответственно 0,6943 мк (красный свет) и 1,03 мк (инфракрасный свет), для мощного лазера непрерывного действия на углекислом газе — 10,6 мк (инфракрасный свет). Обработка ударными волнами проводилась путем скоростных соударений образцов с моделями, летящими со скоростями до 4000 м/сек, деформация взрывом (в том числе кумулятивным) с взрывными давлениями до 1 млн. атм. Опыты проводились при различных температурах, методика и аппаратура для получения высоких скоростей описана в соответствующих разделах.
Химико-термическая обработка под действием лучей лазера проводилась либо путем нанесения тонкого слоя насыщающего вещества на образец и воздействия светового импульса, либо путем облучения насыщающего вещества при таком его расположении, что газовая струя плазмы попадала на образец (факельный метод). Воздействие поверхностноактивных веществ проводилось путем нанесения их на специально подготовленную поверхность образцов. Подробное описание методики также приведено в соответствующих разделах.