Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U

Лабораторная работа №1

«Исследование хрупкого разрушение прозрачных диэлектриков»

Москва 2017

Цель работы: определение критичных характеристик хрупкого разрушения прозрачных диэлектриков.

Задачки работы:

- определение порогов оптического пробоя исследуемых материалов;

- определение критичных характеристик хрупкого разрушения исследуемых материалов;

- установление зависимости размера трещинкы от интенсивности лазерного излучения;

- установление зависимости размера трещинкы от поперечника пучка лазерного излучения.

Оборудование Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U: Лазерный комплекс ЛКЗ, микроскоп, средства измерения характеристик лазерного излучения.

Исследуемые материалы: стекло, ПММА

Теоретическая часть

Оптический пробой

Хрупкое разрушение оптически прозрачных материалов связано с явлением оптического пробоя. Оптический пробой, возникающий в прозрачных средах, находящихся в разных агрегатных состояниях (газовом, водянистом, кристаллическом), отменно описывается в рамках 1-го физического процесса, а конкретно перевоплощение прозрачной среды Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U в очень поглощающее вещество под действием массивного светового потока. При всем этом необходимо подчеркнуть, что в литературе встречается термин электронный пробой, это обосновано тем, что основной вклад в энергетику процесса взаимодействия лазерного излучения с веществом заносит электронное поле электрической волны.

Для различных сред и различных частот лазерного излучения Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U имеется ряд особенностей в появлении и протекании явления оптического пробоя, но главные черты этого явления остаются постоянными: начально прозрачное, нейтральное вещество ионизируется, появляется плазма, и если её плотность добивается значений, близких к критичным, то лазерное излучение отлично поглощается в плазме, нагревая её до высочайшей температуры.

В рамках линейной оптики поглощение Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U световой волны в веществе определяется законом Бугера-Ламберта-Бера:

(1)

где - интенсивность света, распространяющегося в веществе,

– интенсивность световой волны, падающей на вещество,

– коэффициент поглощения,

– расстояние, на которое распространяется свет,

Коэффициент поглощения определяется только плотностью вещества и его восприимчивостью .

В случае огромных интенсивностей лазерного излучения, когда значительно сказываются нелинейные Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U эффекты, нужно принимать во внимание не считая линейной восприимчивости и нелинейные составляющие , т.е. . Не считая того, при оптическом пробое резко меняется поглощение среды вследствие конфигурации её агрегатного состояния. В начально нейтральной среде под действием лазерного излучения появляется плазма, очень всасывающая излучение, падающее на вещество.

Поглощение излучения в плазме находится в зависимости Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U от соотношения частот излучения w и плазменной частоты wp. Наибольшее поглощение излучения достигается при w = wp. Плазменная частота:

(2)

находится в зависимости от плотности свободных электронов. По мере роста степени ионизации под действием лазерного излучения с частотой w возрастает N и, как следует, возрастает wp. При достижении Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U критичной плотности Nкр достигается равенство w = wp, плазма становится непрозрачной для электрической волны, излучение поглощается средой.

Потому более достойные внимания вопросы при оптическом пробое связаны с:

а) выявлением механизма пробоя, оценкой вклада главных процессов в ионизации среды;

б) установлением динамики процесса образования и развития плазмы, наибольшей температуры.

С динамической Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U точки зрения явление оптического пробоя среды под действием лазерного излучения состоит в том, что на фиксированной частоте излучения и при определенном соотношении меж плотностью среды (N), интенсивностью лазерного излучения I и продолжительностью его воздействия tл на вещество в среде появляется колоритная световая вспышка (искра), сопровождаемая резким звуком. Появление пробоя Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U пороговым образом находится в зависимости от хоть какого из 3-х вышеуказанных характеристик (N, I, tл) при фиксированном значении 2-ух других.

Разглядим главные процессы, ведущие к фотоионизации вещества, т.е. к образованию плазмы.

Фотоионизация может быть однофотонной и многофотонной. В первом случае атом либо молекула вещества ионизуется при столкновении с фотоном.

К главным Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U процессам, приводящим к сильной ионизации вещества, следует, по систематизации Делоне Н.Б., отнести:

а) образование плазмы за счет нелинейной ионизации;

б) ионизация электронами, ускоренными при столкновении в световом поле;

в) многофотонная ионизация.

Можно обрисовать каждый процесс в отдельности.

а) В почти всех случаях взаимодействие фотонов лазерного потока с веществом Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U носит резонансный нрав. При всем этом возможность многофотонной ионизации в единицу времени Р зависит как от действенного поперечного сечения ионизации sk(w), так и от интенсивности лазерного пучка:

(3)

где k – степень нелинейности.

Процессы многофотонной ионизации не являются пороговыми процессами по интенсивности, но согласно (3) образование плазмы критичной плотности Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U очень чувствительно к интенсивности излучения. Вправду, для того, чтоб процесс ионизации вещества стал необратимым, нужно определенная степень ионизации, т.е. при фиксированных tл, плотности вещества и данной критичной плотности свободных электронов существует определенная пороговая интенсивность I.

б) Электрическая ионизация.

Электрическая ионизация, ведущая к образованию плазмы, состоит в соударении свободных электронов Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U с нейтральными атомами, доминирует при огромных значениях N, tл и значимых размерах области фокусировки лазерного пучка. В процессе сотворения плазмы при ионизации вещества электронами целенаправлено поделить последующие стадии процесса:

- образование свободных электронов в веществе, 1-ые «затравочные» электроны возникают в области фокусировки лазерного пучка вследствие многофотонного фотоэффекта на атомах примеси с Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U более низкими потенциалами ионизации;

- ускорение свободных электронов как в поле световой волны, так и при их столкновениях с нейтральными атомами, до энергии, превосходящей потенциал ионизации;

- ионизация нейтральных атомов или в итоге прямого процесса, или вследствие отрыва электронов от возбужденных атомов под действием лазерного излучения; в любом Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U случае происходит размножение свободных электронов;

- развитие электрической лавины, ведущее к образованию плазмы.

Не следует мыслить, что вышеперечисленные процессы происходят строго в определенной последовательности: напротив, в значимой мере они протекают сразу.

Число электронов в лавине слабо находится в зависимости от числа «затравочных» электронов No, потому что основное число электронов появляется Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U на последних шагах лавины (набросок 1).

Набросок 1 – Схема лавинного размножения электронов во времени

При данной плотности вещества оптический пробой наступает при определенном пороговом значении плотности потока лазерного излучения. Но любопытно отметить, что это связано не с процессами, приводящими к ионизации, т.к. соотношение (3) не находится в зависимости от интенсивности излучения, а с процессами Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U, обуславливающими возбуждение атомов.

Область, окутанная ионизацией, расширяется в направлении к лазерному излучению. Во-1-х, расширение плазмы обосновано гидродинамическим механизмом: нагреваемый газ, давление в каком велико, порождает ударную волну. Распространяясь навстречу лазерному пучку, ударная волна также ионизирует вещество, облегчая условия оптического пробоя.

Новые порции вещества, ионизированные и прогретые Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U ударной волной, становятся непрозрачными для излучения, которое очень поглощается, и таким макаром, поддерживает движение волны. Во-2-х, происходит повышение области ионизации за счет моментального значения мощности излучения на фронте лазерного импульса. Потому условия для пробоя могут появиться в течении лазерного импульса в почти всех точках по пути луча. В конце Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U концов расширение может определяться радиационным механизмом, в базе которого лежит прогрев вещества термическим излучением, испускаемым жаркой плазмой из области наибольшей фокусировки лазерного излучения. Отметим, что объём фокусировки определяется поперечным размером лазерного пучка 2ro, исходной расходимостью пучка перед фокусировкой, также остротой фокусировки f

(4)

Оптический пробой в случае малых значений объёма фокусировки наступает Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U при существенно более больших значениях интенсивности световых пучков, т.к. электроны очень стремительно выводятся из области ионизации и лавины электронов не образуются.

Явление оптического пробоя конкретно связано с процессами разрушения прозрачных жестких тел (стекол, кристаллов, полимеров, полупроводников). При всем этом исследование разрушения кроме энтузиазма исходя из убеждений физики процессов, очень Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U принципиально и в практическом нюансе: оптически прозрачные тела являются как элементами фактически лазеров, так и элементами силовой оптики лазеров для транспортировки и формирования пучков лазерного излучения.

Разрушение прозрачных жестких тел описываются разными физическими процессами для совершенно незапятнанных сред и для диэлектриков, в каких имеются посторонние включения либо примеси. Но Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U необходимо подчеркнуть, что в почти всех практических случаях оба варианта реализуются сразу, т.к. совершенно незапятнанных прозрачных материалов в природе не существует.

В случае совершенно незапятнанных материалов механизм разрушения почти во всем похож на механизм оптического пробоя, рассмотренный выше. Лазерное излучение за счет многостадийных взаимосвязанных процессов Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U генерирует свободные носители зарядов. На свободных носителях происходит дополнительное поглощение лазерного излучения, при всем этом в облучаемом объеме выделяется тепло, увеличивается температура и показатель преломления среды, происходит самофокусировка пучка и увеличивается интенсивность излучения, что приводит к ускорению перечисленных процессов.

В определенных критериях, определяемых качествами вещества, интенсивностью и продолжительностью лазерного Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U импульса, скорость таковой «саморазгоняющейся» цепочки будет расти лавинообразно, произойдет резкое повышение концентрации носителей тока и выделения энергии в облучаемом объёме, т.е. произойдет пробой.

Экспериментально установлено, что напряженность поля » 1010 В/м в световой волне является пороговой для оптического пробоя в веществе. При всем этом заметим, что вследствие наличия изъянов Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U на поверхности и в объёме прозрачного диэлектрика оптический пробой может наступить и при наименьших интенсивностях лазерного пучка.

При наличии в прозрачной среде локальных макроскопических примесей либо изъянов с огромным коэффициентом поглощения разрушение носит в главном термический нрав, связанный с нагревом примесей. По этой причине критичным фактором выступает энергия излучения Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U, а не мощность, как в случае оптического пробоя, по собственной сущности являющегося нелинейным эффектом.

Разумеется, что процесс термического разрушения будет определяться не только лишь теплофизическими качествами вещества и примеси, да и размерами сторонних включений, средним расстоянием меж ними и коэффициентом поглощения. По этой причине становится очень приметным так именуемый Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U размерный эффект: зависимость пороговой энергии излучения, при которой начинается необратимый процесс разрушения среды, от размера облучаемой зоны. Это связано с тем, что примеси совсем случайным образом распределены по объему эталона, при всем этом плотность включений назад пропорциональна их размерам, также тем, что процесс разрушения начинается на самой большой неоднородности Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U, всасывающей наибольшее количество энергии. Вследствие размерного эффекта ясно, что пороговая мощность лазерного пучка, нужная для разрушения, тем меньше, чем больше размер зоны облучения.

Из термический модели разрушения жестких прозрачных тел, имеющих посторонние включения, следуют и экспериментально доказаны две принципиальных закономерности:

1) пороговая мощность понижается с ростом продолжительности лазерного импульса;

2) развитие процесса Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U нагрева примеси во времени носит взрывной нрав.

Опыты по разрушению прозрачных материалов подтвердили, что стойкость материалов к массивному лазерному излучению в режиме неоднократного воздействия в почти всех случаях ниже, чем при однократном облучении. Появление разрушений в прозрачном диэлектрике при неоднократном облучении последнего может быть обосновано 2-мя значительно различающимися Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U процессами:

1) появление разрушений на N-й вспышке в серии, носящих случайный, флуктуационный нрав;

2) скопление необратимых конфигураций в среде от вспышки к вспышке.

Хрупкое разрушение

Разрушение прозрачных жестких тел может быть вызвано разными механизмами поглощения энергии лазерного излучения. Посреди их можно отметить собственные механизмы, связанные со качествами самой матрицы (ударная и многофотонная ионизация Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U) и механизмы, обусловленные всасывающими включениями (термоупругий, термического взрыва, фотоионизационный).

Необходимо подчеркнуть, что в полимерных материалах в отличие от кристаллов и стёкол эффект скопления выражен в особенности очень и наблюдается даже при интенсивностях на два порядка ниже одноимпульсного разрушения. Для разъяснения эффекта скопления в процессе развития представлений о его Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U природе предлагались разные механизмы. Посреди их: скопление газообразных товаров в микрообластях, появившихся методом многоквантовых фотохимических реакций, приводящих к деструкции полимера, термомеханический механизм скопления в полимерных материалах товаров типа сажи и ряд других. Необходимо подчеркнуть, что они все не получили подабающего экспериментального доказательства.

Реализация того либо другого механизма разрушения находится Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U в зависимости от огромного числа причин:

- чистоты полимера,

- длины волны излучения,

- продолжительности лазерного импульса и т. д.

Вне зависимости от того, какой механизм разрушения реализуется в каждом определенном случае, конечной стадией процесса лазерной деструкции являются:

- плавление;

- образование трещинкы;

- абляция.

Образование трещинкы является главным механизмом деструкции при короткоимпульсном воздействии. В Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U области нано-пикосекундной продолжительности возможным является механизм термического взрыва, обусловленного всасывающими включениями. При сверхкоротких импульсах (фемтосекундный спектр) продолжительностью наименее 10 пс у большинства жестких тел превалирующим механизмом разрушения является абляция. При импульсах с миллисекундной продолжительностью для ряда материалов наблюдается образование проплава.

Разрушения, возникающие в прозрачных телах под действием лазерного излучения, более целенаправлено Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U поделить на разрушения, возникающие в совершенно незапятнанных средах, и разрушения, обусловленные примесями. В этих случаях различны и механизмы, приводящие к разрушению. В незапятанной среде – это оптический пробой, отменно аналогичный пробою в газе, а в средах с примесями – разрушение, связанное с нагревом примесей.

Считается, что в области импульсов Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U наносекундного спектра разрушение определяется поглощением на посторонних включениях, т. е. несобственным механизмом поглощения излучения, тогда как при воздействии импульсов фемтосекундной продолжительности – своим механизмом поглощения (ударной и многофотонной ионизацией). Разделение устройств поглощения на собственные и несобственные основано на разных механизмах поглощения излучения, но оканчивающая стадия разрушения (формирование повреждения) определяется только поглощенной за Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U время импульса энергией, размерами области взаимодействия и отводом тепла из области.

Процесс формирования трещинкы не находится в зависимости от механизма поглощения энергии лазерного излучения, он схож для собственных устройств поглощения (ударная и многофотонная ионизация) и устройств, связанных с всасывающими включениями. Трещинка формируется по механизму отрыва, так что нужное Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U условие её формирования имеет вид:

(5)

где - тангенциальная компонента тензора напряжений,

- предел прочности твёрдого тела.

Но выполнение неравенства (5) недостаточно для образования трещинкы. Трещинка всегда имеет конечный размер, потому для её формирования нужна конечная энергия. В случае сферической области взаимодействия с радиусом R эта энергия равна:

(6)

где γ – плотность поверхностной энергии твердого тела Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U.

Как следует, трещинка будет формироваться, если энергия поля деформации в округи локального нагрева будет превосходить Em

(7)

где – энергия лазерного импульса,

– коэффициент, определяющий долю поглощенной энергии,

– коэффициент связности.

Причём

(8)

где – коэффициент линейного расширения,

c – теплоёмкость,

– коэффициент Пуассона,

– продольная скорость звука,

Т0 – температура до воздействия лазерного импульса.

Условие (7) можно записать в других Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U эквивалентных формах. Потому что в области взаимодействия энергия импульса связана с мощностью излучения Р:

(9)

где – продолжительность импульса, то (7) можно конвертировать к виду:

(10)

Неравенство (10) значит, что в области импульсов малой продолжительности ( ) образование трещинкы при воздействии излучения с пороговой интенсивностью нереально.

Численная оценка для плавленого кварца дает 50 пс, экспериментальное значение при тех Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U же критериях дает переход от образования трещинкы к абляции при = 20 пс.

Неравенство (7) позволяет получить и другое ограничение, связанное с требованием конечности размера области локального нагрева для формирования разрушения. Для сферической области взаимодействия:

(11)

где – коэффициент поглощения,

– плотность энергии в импульсе.

Тогда (7) можно переписать в виде:

(12)

Смысл соотношений Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U (11, 12) последующий: поглощенная энергия лазерного излучения пропорциональна R3, в то время как энергия трещинкы пропорциональна R2. С уменьшением R энергия, нужная для появления трещинкы, миниатюризируется медлительнее, чем поглощенная энергия, так что для довольно малого размера области взаимодействия поглощенной энергии будет не довольно, для формирования трещинкы. Следует увидеть, что неравенство (5) производится и для Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U малых областей взаимодействия, тогда как условие (7) нет. Тем эти условия независимы и для развития трещинкы должны производиться сразу. Значения для оценки для плавленого кварца:

при ,


Практическая часть

1 Средства измерения:

1.1 Детектор пироэлектрический PE-25C

Характеристики детектора PE-25C

Апертура Ø24 мм
Спектральный спектр 0,15 – 3,00 мкм
Спектр энергий 8 мДж – 10 Дж
Наибольшая частота 10 кГц
Наибольшая энергия в импульсе Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U 10 Дж
Наибольшая средняя плотность мощности 20 Вт/см2
Наибольшая продолжительность 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 спектр 190 – 1100 нм
Порог разрушения 50 Вт/см2 / 0,1 Дж/см2 со всеми фильтрами при продолжительности импульса <100 нс
Малый регистрируемый Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U сигнал 2,5 нВт/см2

Методики измерения расходимости с помощью камеры SP620U

Способ 2-ух точек в далекой зоне

Этот способ основан на фактическом измеренном увеличении ширины лазерного луча при его расширении в далекой зоне. До того как использовать этот способ, удостоверьтесь, что измерения будут выполнены в далеком поле луча и что размер пучка Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U не станет больше апертуры камеры. Значения расходимости рассчитываются по осям X и Y относительно оси луча.

Расположите камеру в согласовании с направлением распространения луча. Подразумевается, что положение первого измерения соответствует наиблежайшему положению к перетяжке луча, но всё ещё в далекой зоне. После того как камера зафиксирует луч в данной Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U позиции нажмите на галочку, чтоб перенести 1-ые результаты характеристик пучка X, Y и D.

Также эти значения можно ввести вручную.

Потом перенесите камеру в положении более далённое от перетяжки луча. Введите в соответственное поле значение расстояния меж положениями измерений. Сейчас определите ширину луча в этом положении.

Расходимость рассчитывается последующим Методики измерения расходимости при помощи камеры SP620U образом:

где W1 – ширина луча в первом положении (поближе к перетяжке);

WC – ширина луча во 2-м положении (далее от перетяжки);

S – расстояние меж измеряемыми положениями.


metodologicheskie-aspekti-otrazheniya-kratkosrochnih-obyazatelstv.html
metodologicheskie-i-metodicheskie-osnovi.html
metodologicheskie-i-teoreticheskie-osnovi-razrabotki-psihokorrekcionnih-tehnologij-dlya-detej-s-problemami-v-razvitii.html