Практическая часть
1 Средства измерения:
1.1 Сенсор пироэлектрический PE-25C
Параметры сенсора PE-25C
-
Апертура
Ø24 мм
Спектральный диапазон
0,15 – 3,00 мкм
Диапазон энергий
8 мДж – 10 Дж
Максимальная частота
10 кГц
Максимальная энергия в импульсе
10 Дж
Максимальная средняя плотность мощности
20 Вт/см2
Максимальная длительность импульса
5 мс
Порог разрушения (< 100 нс)
0,1 Дж/см2
Порог разрушения (2 мс)
6 Дж/см2
1.2 CCD камера Spiricon SP620U
-
Активная область
7,1 х 5,4 мм
Спектральный диапазон
190 – 1100 нм
Порог разрушения
50 Вт/см2 / 0,1 Дж/см2 со всеми фильтрами при длительности импульса <100 нс
Минимальный регистрируемый сигнал
2,5 нВт/см2
2 Методики измерения расходимости при помощи камеры sp620u
Метод двух точек в дальней зоне
Этот метод основан на фактическом измеренном увеличении ширины лазерного луча при его расширении в дальней зоне. Прежде чем использовать этот метод, убедитесь, что измерения будут выполнены в дальнем поле луча и что размер пучка не станет больше апертуры камеры. Значения расходимости рассчитываются по осям X и Y относительно оси луча.
Расположите камеру в соответствии с направлением распространения луча. Предполагается, что положение первого измерения соответствует ближайшему положению к перетяжке луча, но всё ещё в дальней зоне. После того как камера зафиксирует луч в данной позиции нажмите на галочку, чтобы перенести первые результаты параметров пучка X, Y и D.
Также эти значения можно ввести вручную.
Затем перенесите камеру в положении более отдалённое от перетяжки луча. Введите в соответствующее поле значение расстояния между положениями измерений. Теперь измерьте ширину луча в этом положении.
Расходимость вычисляется следующим образом:
где W1 – ширина луча в первом положении (ближе к перетяжке);
WC – ширина луча во втором положении (дальше от перетяжки);
S – расстояние между измеряемыми положениями.
3 Порядок выполнения работы
Порядок действий при работе с лазерной установкой «ЛКЗ» приведён в описании к установке.
3.1 Измерение параметров лазерного излучения
3.1.1 Измерение энергии лазерного излучения
Так как в управляющих программах лазерных комплексов не задаются напрямую значения выходной энергии, а встроенного измерителя в установке ЛКЗ не предусмотрено, то для сопоставления размеров трещины с энергетическими параметрами излучения необходимо измерить энергию в импульсе для каждого значения тока накачки. Измерения энергии лазерного излучения для установки ОЛКЗ целесообразно производить при помощи пироэлектрического сенсора.
(!) Замечание. Перед началом измерений удостоверьтесь, что сенсор не будет повреждён лазерным пучком.
Заполните таблицу 1.
Таблица 1 – Значения энергии лазерного импульса при разных токах накачки
-
Ток накачки, А
Энергия в импульсе, мкДж
22
23
…
44
45
3.1.2 Измерение расходимости лазерного излучения
Для определения интенсивности воздействующего на образцы лазерного излучения кроме энергии в импульсе необходимо оценить размер фокального пучка. В данной работе оценка диаметра пучка в фокусе осуществлялась из следующего соотношения:
где df – диаметра пучка в фокусе;
с – полный угол расходимости лазерного излучения;
– фокусное расстояние линзы.
Измерьте расходимость (по уровню 0,5) согласно п.2 практической части данной работы.
Рассчитайте значение диаметра пучка в фокусе.
В случае, если облучается образец с коэффициентом преломления не равным 1, то необходимо вводить поправку на размер пучка с учётом удлинения фокусного расстояния. Рассчитать удлинение можно зная, что диаметр пучка до фокусирующей линзы составляет 10 мм, а также руководствуясь положениями геометрической оптики.
3.2 Определение порогов оптического пробоя исследуемых материалов
Для определения порога оптического пробоя среды необходимо выполнить следующие действия:
установить исследуемый образец в зону обработки лазерного комплекса;
рассчитать диаметр пучка лазерного излучения в фокусе с учётом толщины облучаемого образца (см. п.3.1.2 практической части данной работы);
найти минимальное значение энергии лазерного импульса, при котором происходит пробой среды, рассчитать пороговую интенсивность
заполнить таблицу 2.
Таблица 2 – Пороги оптического пробоя различных сред
-
Материал
Iп, Вт/см2
Вода дистиллированная
Вода водопроводная
Оптическое стекло
Предметное стекло
ПММА
3.3 Установление зависимости размера трещины от интенсивности лазерного излучения
Для выполнения данного пункта необходимо провести обработку образцов (стекла или ПММА) на 10 режимах облучения, при которых в образце в области воздействия наблюдаются трещины, начиная с интенсивности немногим превышающей порог оптического пробоя среды (на 1 А тока накачки).
Затем при помощи микроскопа измеряется максимальных размер трещин (выборка из 4-х измерений) на каждом режиме. После статистической обработки полученных результатов заполняется таблица 3.
Таблица 3 – Размеры получаемых трещин при различных режимах обработки
-
Ток накачки, А
Размер трещины, мкм
СКО
3.4 Установление зависимости размера трещины от диаметра пучка лазерного излучения
Для того чтобы изменить диаметр пучка в фокусе, можно удлинить фокусное расстояние расположив поверх обрабатываемого образца прозрачный объект коэффициентом преломления не равным 1. В данной работе предлагается использовать параллелепипеды из оптического стекла различных размеров.
Выполните обработку образцов с разными диаметрами пучка лазерного излучения аналогично п.3.3. При этом в каждом режиме обработки ток накачки выбирается таким образом, чтобы интенсивность излучения во всех опытах была одинаковой.
Заполните таблицу 4.
Таблица 4 – Размеры получаемых трещин при различных диаметрах пучка в фокусе
-
Размер пучка в фокусе, мкм
Размер трещины, мкм
СКО
3.5 Определение критических параметров хрупкого разрушения исследуемых материалов
Рассчитайте по выражению (12) минимальный размер трещины уровней интенсивности, использованных в п. 3.3 и заполните таблицу 5
Таблица 5 – Критические размеры трещин
-
Интенсивность, Вт/см2
Критический размер трещины, мкм
Сопоставьте эти значения с диаметром пучка в фокусе.