RU2694073C1 - Method of determining optical strength of materials during single radiation - Google Patents

Method of determining optical strength of materials during single radiation Download PDF

Info

Publication number
RU2694073C1
RU2694073C1 RU2018110756A RU2018110756A RU2694073C1 RU 2694073 C1 RU2694073 C1 RU 2694073C1 RU 2018110756 A RU2018110756 A RU 2018110756A RU 2018110756 A RU2018110756 A RU 2018110756A RU 2694073 C1 RU2694073 C1 RU 2694073C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
energy density
destruction
probability
radiation
optical strength
Prior art date
Application number
RU2018110756A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Олег Витальевич Мкртычев
Валерий Геннадьевич Шеманин
Original Assignee
Олег Витальевич Мкртычев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Олег Витальевич Мкртычев filed Critical Олег Витальевич Мкртычев
Priority to RU2018110756A priority Critical patent/RU2694073C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2694073C1 publication Critical patent/RU2694073C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N17/00—Investigating resistance of materials to the weather, to corrosion, or to light
    • G01N17/004—Investigating resistance of materials to the weather, to corrosion, or to light to light

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)

Abstract

FIELD: optics.SUBSTANCE: invention relates to power optics and nanophotonics and a method of determining optical strength of a material surface. In implementing the method, the surface of the material at different points is subject to single irradiation with a pulse of powerful laser radiation with different energy density F, while detecting in each case the occurrence or non-occurrence of destruction of the surface of the material, induced by laser radiation. For each value of energy density, irradiation is carried out in an amount required from the point of view of using statistical methods, after which probability p of sample destruction is calculated. Obtained experimental data are used to construct a probability curve p(F). Further, using the Weibull-Gnedenko statistical distribution, optical strength Q of the material surface is determined upon single irradiation of the material.EFFECT: high accuracy and simplification of the measurement method.1 cl, 3 dwg

Description

Описание способаDescription of the method

Изобретение относится к области взаимодействия мощного импульсного лазерного излучения с веществом, силовой оптики и нанофотоники и к методам оценки и прогнозирования оптической прочности поверхности оптических материалов и может быть использовано в технике при проектировании приборов для оценки надежности материалов, используемых в силовой оптике.The invention relates to the field of interaction of high-power pulsed laser radiation with matter, power optics and nanophotonics and to methods for assessing and predicting the optical strength of the surface of optical materials and can be used in engineering when designing instruments for assessing the reliability of materials used in power optics.

Проблема определения оптической прочности материала является актуальной в связи с тем, что работа материала в условиях облучения его поверхности мощным излучением приводит к его механическому разрушению.The problem of determining the optical strength of the material is relevant due to the fact that the work of the material under the conditions of irradiation of its surface with powerful radiation leads to its mechanical destruction.

Известен способ определения предела оптической прочности материала (изобретение №2034245, МПК G01J 5/50) сущность которого заключается в том, что образцы материала подвергают воздействию лазерного излучения многократно, при каждом фиксированном значении напряженности Е электрического поля, начиная с больших значений, измеряют время τ от начала каждого воздействия до электрического пробоя образца, строят зависимость lg τ=f (Е) по которой определяют искомый предел оптической прочности материала как точку пересечения оси абсцисс асимптотой графика lg τ=f(E) при τ→∞.The known method of determining the limit of the optical strength of the material (invention No. 2034245, IPC G01J 5/50) the essence of which is that the samples of the material are exposed to laser radiation many times, at each fixed value of the electric field strength E, from large values, measure the time τ from the beginning of each exposure to electrical breakdown of the sample, build the dependence log τ = f (E) which determines the desired optical strength of the material as the intersection point of the x-axis asymptote graph Single lg τ = f (E) when τ → ∞.

Однако в этом методе образец подвергается многократному излучению при фиксированном значении напряженности электрического поля Е световой волны вплоть до возникновения электрического пробоя образца и делаются ряд дополнительных теоретических предположений. В частности, при таком подходе предполагается, что облучаемый образец накапливает необратимые изменения в структуре в результате воздействия предыдущих импульсов, которые, суммируясь, приводят к световому пробою.However, in this method, the sample is subjected to multiple radiation at a fixed value of the electric field strength E of the light wave, up to the onset of electrical breakdown of the sample and a number of additional theoretical assumptions are made. In particular, with this approach it is assumed that the irradiated sample accumulates irreversible changes in the structure as a result of the impact of previous pulses, which, summing up, lead to light breakdown.

Известен также способ контроля лучевой прочности поверхности оптических материалов (изобретение №2034278, МПК G01N 23/22, G01B 7/34), сущность которого в том, что после облучения поверхности пучком ионизирующего излучения измеряют энергетическое распределение электронов, эмитируемых поверхностью в интервале температур 130-150°С с поверхности контролируемых образцов, и по значению средней кинетической энергии судят о лучевой прочности поверхности.Also known is a method of controlling the radial strength of the surface of optical materials (invention No. 2034278, IPC G01N 23/22, G01B 7/34), the essence of which is that after irradiating the surface with an ionizing radiation beam, the energy distribution of electrons emitted by the surface in the temperature range 130- 150 ° C from the surface of the controlled samples, and the value of the radiation strength of the surface is judged by the value of the average kinetic energy.

Однако в этом методе по отношению к поставленной задаче определения лучевой прочности оптических материалов имеется ряд недостатков: это и ограничение температуры диапазоном 130-150°С, и определение лучевой прочности только по средней кинетической энергии электронов, и существенная зависимость термостимулированной эмиссии электронов от условий измерения.However, in this method with respect to the task of determining the radiation strength of optical materials, there are several disadvantages: this restriction of the temperature range 130-150 ° C, and the determination of the radiation strength only by the average kinetic energy of electrons, and the significant dependence of thermally stimulated emission of electrons on the measurement conditions.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения лучевой прочности поверхности оптической детали (изобретение №2430352, МПК G01N 17/00), принятый за прототип. Сущность изобретения заключается в следующем: поверхность оптической детали облучается пучком с неравномерным распределением интенсивности излучения, определяется распределение интенсивности излучения в пятне облучения, регистрируются зоны разрушения поверхности в каждом отдельном пятне облучения и определяются значения интенсивности, соответствующих границе зоны разрушения в отдельном пятне облучения. Минимальное из этих значений интенсивности определяет искомую величину.Closest to the proposed method is a method for determining the radiation strength of the surface of an optical part (invention No. 2430352, IPC G01N 17/00), adopted for the prototype. The invention is as follows: the surface of the optical part is irradiated with a beam with an uneven distribution of the radiation intensity, the distribution of the radiation intensity in the irradiation spot is determined, the areas of surface damage in each individual irradiation spot are recorded and the intensity values corresponding to the boundary of the damage zone in the separate irradiation spot are determined. The minimum of these intensity values determines the desired value.

В то же время данный способ имеет целый ряд недостатков: перед тем как применить данный способ, требуется ряд дополнительных измерений для изучения профиля распределения интенсивности в пучке; для учета неравномерного распределения интенсивности в пучке метод требует применения специальной аппаратуры;At the same time, this method has a number of disadvantages: before applying this method, a number of additional measurements are required to study the intensity distribution profile in the beam; to account for the uneven distribution of intensity in the beam, the method requires the use of special equipment;

для получения статистически представительной выборки минимальных значений интенсивности излучения, соответствующих границе зоны разрушения в каждом пятне облучения поверхности, достаточной для построения зависимости плотности вероятности разрушения поверхности от интенсивности излучения, необходимо большое число исследуемых образцов и большое количество измерений.To obtain a statistically representative sample of minimum values of the radiation intensity corresponding to the boundary of the damage zone in each spot of the surface irradiation sufficient to build the dependence of the probability density of the surface damage on the radiation intensity, a large number of samples and a large number of measurements are required.

Целью изобретения является достоверное определение оптической прочности материала с высокой точностью, простотой и надежностью при применении стандартного оборудования, используя только интегральную характеристику лазерного импульса в виде плотности энергии импульса без учета его пространственно-временного профиля.The aim of the invention is to reliably determine the optical strength of a material with high accuracy, simplicity and reliability when using standard equipment using only the integral characteristic of a laser pulse in the form of a pulse energy density without taking into account its space-time profile.

Для этого в известном способе предлагается для упрощения модели избавиться от учета зависимости оптической прочности от всех параметров задачи, кроме плотности энергии импульса.To do this, it is proposed in the well-known method to simplify the model to get rid of taking into account the dependence of optical strength on all the parameters of the problem, except for the pulse energy density.

Решение задачи предлагается проводить с помощью облучения образца исследуемого материала на установке, показанной на фиг. 1. Установка включает в себя источник мощного импульсного лазерного излучения 1, систему изменения энергии импульса излучения 2, систему определения энергии импульса излучения 3, систему фокусировки излучения на переднюю (по отношению к падающему излучению) поверхность исследуемого образца 4, исследуемый образец 5, систему регистрации разрушения поверхности исследуемого образца 6, систему записи и обработки информации 7.The solution of the problem is proposed to be carried out by irradiating the sample of the material under investigation in the installation shown in FIG. 1. The installation includes a source of high-power pulsed laser radiation 1, a system for changing the energy of a radiation pulse 2, a system for determining the energy of a radiation pulse 3, a system for focusing the radiation on the front (relative to incident radiation) surface of the sample 4, the sample 5, the registration system destruction of the surface of the sample 6, the system of recording and processing information 7.

Основополагающими для предлагаемого способа являются два этапа - экспериментальный и аналитический - выполняемые последовательно в указанном порядке. При проведении экспериментального этапа целью является получение кривой pэксп(F) зависимости вероятности рэксп разрушения облучаемого образца от плотности энергии F импульсного падающего излучения. При проведении второго этапа полученная кривая вероятности рэксп(F) моделируется статистическим распределением Вейбулла-Гнеденко p(Y) по формулеFundamental to the proposed method are two stages - experimental and analytical - performed sequentially in the specified order. When carrying out the experimental stage, the goal is to obtain a curve p exp (F) of the dependence of the probability p exp of the destruction of the irradiated sample on the energy density F of the pulsed incident radiation. During the second stage, the obtained probability curve p exp (F) is modeled by the Weibull-Gnedenko statistical distribution p (Y) using the formula

Figure 00000001
Figure 00000001

где Y - риск разрушения, определяемый для объема/поверхности V, какwhere Y is the risk of destruction, defined for volume / surface V, as

Figure 00000002
Figure 00000002

где у - нагрузка, приложенная к элементу dV;where y is the load applied to the element dV;

упр - предел прочности, т.е. минимальное напряжение, которое может вызвать разрушение;y ave - tensile strength, i.e., minimum stress that can cause destruction;

yнорм - нормировочный параметр, имеющий размерность (ед. напряжения⋅ед. объема1/m);y norms is a normalization parameter having a dimension (unit of voltage – unit volume of 1 / m );

m - модуль Вейбулла данного статистического распределения.m is the Weibull module of this statistical distribution.

В данном методе при допущениях, что материал - это гомогенная среда с k типами различных дефектов, случайно распределенных по объему/поверхности образца и разные типы дефектов действуют независимо друг от друга, выражения (1) и (2) представляют в виде интегральной функции распределения Вейбулла-Гнеденко рВГ (F):In this method, under the assumption that the material is a homogeneous medium with k types of different defects randomly distributed over the sample volume / surface and different types of defects act independently of each other, expressions (1) and (2) are represented as the Weibull integral distribution function. -Gnedenko VG (F):

Figure 00000003
Figure 00000003

где F0.5 - пробойная плотность энергии, для которой вероятность пробоя равна pэксп(F) = 0,5; mj - модуль Вейбулла для данного j-го типа дефекта.where F 0.5 is the breakdown energy density for which the probability of breakdown is p exp (F) = 0.5; m j is the Weibull module for a given j-th defect type.

При выполнении первого этапа метода каждую точку поверхности исследуемого образца подвергают однократному облучению импульсом лазерного излучения с заданной плотностью энергии Fi (i=1, 2, … n, где n - это количество значений плотности энергии пучка, которое определяется параметрами системы изменения энергии 2 с фиг. 1) и регистрируют возникновение или не возникновение разрушения поверхности материала, индуцированного лазерным излучением. В качестве критерия разрушения можно взять наличие светящейся плазмы при оптическом пробое, инициированном лазерным излучением. После этого процесс повторяют в другой точке, путем перемещения источника излучения 1 или исследуемого образца 3, или путем изменения параметров системы фокусировки 4, или комбинацией этих способов. При этом образец подвергают облучению пучка с той же плотностью энергии Fi. После проведения цикла измерения из Ni облучений, среди которых произошло Nразр,i разрушений, вычисляют экспериментальное значение вероятности pэксп(Fi) разрушения поверхностиDuring the first stage of the method, each point of the sample surface is subjected to a single irradiation with a laser pulse with a given energy density F i (i = 1, 2, ... n, where n is the number of beam energy density values, which is determined by the parameters of the system for changing energy 2 s Fig. 1) and record the occurrence or non-occurrence of destruction of the surface of the material induced by laser radiation. As a criterion of destruction, we can take the presence of a luminous plasma during optical breakdown, initiated by laser radiation. After that, the process is repeated at another point by moving the radiation source 1 or sample 3, or by changing the parameters of the focusing system 4, or a combination of these methods. When this sample is subjected to irradiation of the beam with the same energy density F i . After conducting a measurement cycle of N i exposures, among which there were N bits, i failures, the experimental value of the probability p exp (F i ) of surface damage is calculated

Figure 00000004
Figure 00000004

при заданной плотности энергии Fi.for a given energy density F i .

Далее по точкам pэксп(Fi) строят кривую вероятности разрушения поверхности образца, показанную на фиг. 2. На фиг. 2 значения из (4) отмечены точками. Значения вероятности вне этих точек вычисляют с помощью линейной рлин и сплайновой рспл интерполяций. На фиг. 2 они показаны сплошной и штриховой линией, соответственно. В качестве основного значения берут среднее арифметическое этих величинNext, by the points p exp (F i ), the probability curve of failure of the sample surface, shown in FIG. 2. In FIG. 2 values from (4) are marked by dots. Probability values of these points is calculated using linear ling p and p spl spline interpolations. FIG. 2 they are shown by solid and dashed lines, respectively. As the main value take the arithmetic average of these values

Figure 00000005
Figure 00000005

В тех точках, где значения вероятности, вычисленные указанным способом, становятся больше единицы или меньше нуля, их приравнивают к единице и нулю, соответственно.At those points where the probability values calculated in this way become greater than one or less than zero, they are equated to one and zero, respectively.

В данном методе предлагается начинать облучение со средних значений плотности энергии и далее, поочередно, увеличивать и уменьшать значения плотности энергии излучения. Там, где получены экспериментальные значения вероятности равные нулю и единице, можно остановить процесс облучения поверхностей для излучения с меньшей и большей плотностью энергии, соответственно. Это позволяет резко уменьшить требуемое число измерений, что ведет к существенной экономии в энергопотреблении установки для реализации данного метода. Для данных по фиг. 2 можно было начать измерения рэксп для значения F6, потом для F7, F5, F8, F4. После получения значения pэксп(F4) = 0 не проводить цикл измерений рэксп для F1, F2, F3 и провести измерения для F9, Fl0. И после получения значения pэксп(F10) = 1 не проводить цикл измерений рэксп для F11.In this method, it is proposed to begin irradiation with average values of the energy density and then, alternately, increase and decrease the values of the radiation energy density. Where experimental values of probabilities equal to zero and one are obtained, the process of irradiating surfaces for radiation with lower and higher energy density, respectively, can be stopped. This allows you to dramatically reduce the required number of measurements, which leads to significant savings in energy consumption of the installation for the implementation of this method. For the data of FIG. 2 it was possible to begin measurements of p exp for the value of F 6 , then for F 7 , F 5 , F 8 , F 4 . After obtaining the value of p exp (F 4 ) = 0, do not conduct a measurement cycle of p exp for F 1 , F 2 , F 3 and take measurements for F 9 , F l0 . And after receiving the value of p exp (F 10 ) = 1 not to conduct a measurement cycle p exp for F 11 .

Полученная кривая вероятности pэксп(F) важна для точного определения двух величин описывающих разрушение поверхности материала, инициированного лазерным излучением, в данном способе. Первая из этих величин - это пороговое значение плотности энергии разрушения, которое получается непосредственно из графика на фиг. 2. За пороговое значение плотности энергии разрушения принимаем значение F0,5 плотности энергии при вероятности р = 0,5, которое необходимо при определении оптической прочности согласно [А.А. Маненков, A.M. Прохоров. Успехи физических наук, т. 148, вып. 1, 1986, с. 179-211]. На фиг. 2 это значение отмечено жирным шрифтом. Вторая величина - модуль m Вейбулла, который получается на втором, аналитическом, этапе метода.The obtained probability curve p exp (F) is important for accurately determining the two quantities describing the destruction of the surface of a material, initiated by laser radiation, in this method. The first of these values is the threshold value of the fracture energy density, which is obtained directly from the graph in FIG. 2. For the threshold value of the energy density of destruction, we take the value F 0.5 of the energy density with probability p = 0.5, which is necessary when determining the optical strength according to [A. Manenkov, AM Prokhorov. Successes of physical sciences, t. 148, no. 1, 1986, p. 179-211]. FIG. 2 this value is marked in bold. The second value is the Weibull modulus m, which is obtained at the second, analytical, stage of the method.

При выполнении второго этапа полученную на первом этапе кривую вероятности pэксп(F) из (5) моделируют статистическим распределением Вейбулла-Гнеденко pВГ(F) из (3). Для этого с помощью специализированного математического программного обеспечения создают сетку шаблонов статистических распределений Вейбулла-Гнеденко используя параметры k и m. Параметр k меняется в диапазоне [1; kmах] с шагом, равным единице. Параметр m меняется в диапазоне [mmin; mmax] с шагом mшаг. Значения kmах, mmin и mmax определяют из предварительных данных о материале исследуемого образца. Значение mшаг определяют из условия требуемой точности полученной модели. Таким способом создают сетку шаблоновWhen performing the second stage, the probability curve p exp (F) obtained from (5) obtained at the first stage is modeled by the Weibull-Gnedenko statistical distribution p WG (F) from (3). To do this, using specialized mathematical software, we create a grid of Weibull-Gnedenko statistical distribution patterns using the parameters k and m. The parameter k varies in the range [1; k max ] with a step equal to one. The parameter m varies in the range [m min ; m max ] with step m step . The values of k max , m min and m max determined from the preliminary data on the material of the sample. The value of m step is determined from the condition of the required accuracy of the obtained model. This way they create a grid of templates.

Figure 00000006
Figure 00000006

Оценку достоверности модели проводят путем минимизации среднеквадратичного отклонения σ(k,m):Assessment of the reliability of the model is carried out by minimizing the standard deviation σ (k, m):

Figure 00000007
Figure 00000007

Распределение Вейбулла-Гнеденко pВГ(F) ≡ р*(F) наименее отклоняющееся от экспериментальной кривой вероятности в указанном смысле, т.е. соответствующая минимуму функции из (7) σmin(k,m)≡σ*(k,m), и будет моделью, которой аппроксимируется экспериментальная зависимость pэксп(F).The Weibull-Gnedenko distribution p SH (F) ≡ p * (F) is the least deviating from the experimental probability curve in the indicated sense, i.e. σ min (k, m) ≡ σ * (k, m), corresponding to the minimum of the function from (7), will be the model that approximates the experimental dependence p exp (F).

Таким образом, по результатам аналитического этапа в предлагаемом методе получают функцию вероятности p*(k,m,F0,5,F) разрушения поверхности материалаThus, according to the results of the analytical stage in the proposed method, the probability function p * (k, m, F 0.5 , F) of the destruction of the material surface is obtained

Figure 00000008
Figure 00000008

с известными значениями параметров к, т, F0,5, определенными на первом и втором этапах метода и абсциссой F.with known values of the parameters k, t, F 0,5 defined in the first and second stages of the method and the abscissa F.

После этого, согласно известным определениям и алгоритмам действий со статистическим распределением Вейбулла-Гнеденко остается только записать выражение для оптической прочности поверхности материала, которая будет иметь видAfter that, according to well-known definitions and algorithms of actions with the Weibull-Gnedenko statistical distribution, it remains only to write the expression for the optical strength of the material surface, which will be

Figure 00000009
Figure 00000009

или подставляя в (9) выражение (8)or substituting in (9) the expression (8)

Figure 00000010
Figure 00000010

Специальными экспериментами показано, что погрешность вычислений, установленная на основании измерений для минимума набора параметров из (10) с доверительной вероятностью 0,9 не превышает 18%.Special experiments have shown that the calculation error established on the basis of measurements for the minimum of the set of parameters from (10) with a confidence level of 0.9 does not exceed 18%.

Пример. Исследуемый образец (элемент 5 с фиг. 1) - стеклянная подложка (стекло марки M1 размера 40×40×5 мм) с нанесенными на нее методом золь-гель технологий двухслойной пленкой SiO2+ТiO2. Нижний, прилегающий к подложке слой SiO2, и верхний - ТiO2. Источник излучения (элемент 1 с фиг. 1) - лазер на алюмоиттриевом гранате с неодимом -генерировал импульсы на длине волны 1,064 мкм длительностью 20 нс с энергией до 0,15 Дж в режиме с модуляцией добротности. С помощью поворотной призмы излучение лазера направлялось и специальным линзовым объективом фокусировалось на поверхность стеклянного образца с наноразмерным покрытием (элемент 4 с фиг. 1). Изменение плотности энергии лазерного импульса в диапазоне от 0,1 до 150 Дж⋅см-2 достигалось как выбором фокусного расстояния объектива, так и ослаблением излучения калиброванными нейтральными светофильтрами (элемент 2 на фиг. 1). Энергия импульса измерялась с помощью фотодиода (элемент 3 на фиг. 1). Для вычислений использовалось стандартное программное обеспечение (элемент 7 на фиг. 1).Example. The sample under study (element 5 of Fig. 1) was a glass substrate (glass of the M1 brand, size 40 × 40 × 5 mm) with a two-layer SiO 2 + TiO 2 film deposited on it by the sol-gel technology. The bottom, adjacent to the substrate layer of SiO 2 , and the top - TiO 2 . The radiation source (element 1 of Fig. 1) is a neodymium yttrium aluminum garnet -generated pulses at a wavelength of 1.064 μm with a duration of 20 ns with an energy of up to 0.15 J in the Q-switched mode. Using a rotating prism, the laser radiation was directed and a special lens objective was focused on the surface of a glass sample with a nanoscale coating (element 4 in Fig. 1). The change in the energy density of the laser pulse in the range from 0.1 to 150 J⋅cm -2 was achieved both by choosing the focal length of the lens and by attenuating the radiation with calibrated neutral light filters (element 2 in Fig. 1). The pulse energy was measured using a photodiode (element 3 in Fig. 1). Standard software was used for calculations (element 7 in Fig. 1).

На первом этапе для каждого значения плотности энергии проводилось 60 облучений поверхности образца. Разрушение поверхности облучаемого образца регистрировалось по наличию собственного свечения факела лазерной плазмы, образующейся при оптическом пробое (элемент 6 на фиг. 1). С использованием (4) были получены следующие экспериментальные значенияAt the first stage, for each value of the energy density, 60 irradiations of the sample surface were performed. The destruction of the surface of the irradiated sample was recorded by the presence of the intrinsic glow of the laser plasma torch formed during optical breakdown (element 6 in Fig. 1). Using (4) the following experimental values were obtained

Figure 00000011
Figure 00000011

По этим данным построена экспериментальная кривая вероятности, показанная на фиг. 3. Используя данные линейной и сплайновой интерполяции, получаем с использованием (5) значение F0,5 ≈ 31,30.From these data, an experimental probability curve was constructed, shown in FIG. 3. Using the data of linear and spline interpolation, we obtain using (5) the value of F 0.5 ≈ 31.30.

На втором этапе была создана сетка шаблонов функций Вейбулла-Гнеденко рВГ(F), согласно (6). При этом были выбраны следующие значения параметров: F0,5 ≈ 31,30 было получено на первом этапе; k=3, так как предполагалось наличие максимум трех типов дефектов на границах разделов слоев и подложки; mmin = 0, mmах = 35 и шаг mшаг = 0,01. Был выбран минимум среднеквадратичных отклонений (7), полученный при значениях k = 3, m1 = 4,05, m2 = 6,98, m3 = 13,21, что позволило моделировать экспериментальную кривую вероятности разрушения интегральной функцией распределения Вейбулла-Гнеденко вида (8)In the second phase mesh patterns functions Weibull Gnedenko p-SH (F) was created, according to (6). The following parameter values were chosen: F 0.5 ≈ 31.30 was obtained at the first stage; k = 3, since the presence of a maximum of three types of defects at the interfaces of the layers of the layers and the substrate was assumed; m min = 0, m max = 35 and step m step = 0.01. The minimum of standard deviations (7) was chosen, obtained with the values k = 3, m 1 = 4.05, m 2 = 6.98, m 3 = 13.21, which allowed to simulate the experimental curve of the probability of destruction by the integral Weibull-Gnedenko distribution function of the form (8)

Figure 00000012
Figure 00000012

Оптическая прочность поверхности материала при его однократном облучении согласно (10) будет выражаться функцией видаThe optical strength of the surface of the material during its single irradiation according to (10) will be expressed as a function of

Figure 00000013
Figure 00000013

Предлагаемый способ может найти широкое применение в областях науки и техники, где необходима диагностика оптической прочности материалов при взаимодействии материала с мощным импульсным лазерным излучением, как с целью контроля оптической прочности поверхности элементов силовой оптики и нанофотоники, так и для определения оптимальных параметров работы и технологии изготовления таких элементов, поскольку данный способ прогнозирует ограничения на плотность энергии, которую можно пропустить через данный элемент без разрушения его поверхности.The proposed method can be widely used in the fields of science and technology, where it is necessary to diagnose the optical strength of materials when a material interacts with high-power pulsed laser radiation, both to control the optical strength of the surface elements of power optics and nanophotonics, and to determine optimal operating parameters and manufacturing technology of such elements, since this method predicts restrictions on the energy density that can be passed through this element without destroying its surface.

Источники информацииInformation sources

МАНЕНКОВ А.А., ПРОХОРОВ A.M. Лазерное разрушение прозрачных твердых тел. Успехи физических наук, т. 148, вып. 1, 1986, с. 179-211.MANENKOV A.A., PROKHOROV A.M. Laser destruction of transparent solids. Successes of physical sciences, t. 148, no. 1, 1986, p. 179-211.

RU 2034245.RU 2034245.

RU 2034278.RU 2034278.

RU 2430352.RU 2430352.

Claims (3)

Способ определения оптической прочности поверхности материала путем облучения разных точек поверхности исследуемого материала импульсным лазерным излучением с разной плотностью энергии F, отличающийся тем, что каждую точку поверхности подвергают однократному облучению, повторяя этот процесс в разных точках N раз, регистрируя число Nразр случаев разрушения поверхности, повторяя этот процесс требуемое количество раз, вычисляя при этом вероятность разрушения поверхности p=Nразр/N при данном значении плотности энергии излучения F, строя экспериментальную зависимость в виде кривой вероятности разрушения p(F), заменяя отсутствующие значения средним арифметическим линейной и сплайновой интерполяций, моделируя полученную экспериментальную кривую интегральной функцией статистического распределения Вейбулла-Гнеденко, определяя таким образом значения F0,5 и m, где F0,5 - значение плотности энергии при вероятности разрушения p=0,5, m - модуль Вейбулла, и далее определяя аналитическим методом оптическую прочность Q(F) поверхности материала по формулеThe method of determining the optical strength of the material surface by irradiating different points of the surface of the material under investigation by pulsed laser radiation with different energy density F, characterized in that each point of the surface is subjected to a single irradiation, repeating this process at different points N times, registering the number N of discharge cases of surface destruction, repeating this process the required number of times, while calculating the probability of surface destruction p = N bit / N at a given value of the radiation energy density F, building the experimental dependence in the form of the fracture probability curve p (F), replacing the missing values by the arithmetic average of linear and spline interpolations, simulating the obtained experimental curve by the integral Weibull-Gnedenko statistical distribution function, thus determining the values of F 0.5 and m, where F 0.5 - the value of the energy density with the probability of destruction p = 0.5, m - Weibull modulus, and then determining the optical strength Q (F) of the material surface by an analytical method using the formula
Figure 00000014
Figure 00000014
 где k - количество разных типов дефектов на поверхности исследуемого материала.where k is the number of different types of defects on the surface of the material under study.
RU2018110756A 2018-03-26 2018-03-26 Method of determining optical strength of materials during single radiation RU2694073C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018110756A RU2694073C1 (en) 2018-03-26 2018-03-26 Method of determining optical strength of materials during single radiation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018110756A RU2694073C1 (en) 2018-03-26 2018-03-26 Method of determining optical strength of materials during single radiation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2694073C1 true RU2694073C1 (en) 2019-07-09

Family

ID=67251903

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018110756A RU2694073C1 (en) 2018-03-26 2018-03-26 Method of determining optical strength of materials during single radiation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2694073C1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2430352C1 (en) * 2010-01-28 2011-09-27 Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем (ФГУП НИИКИ ОЭП) Method of optical part radiation strength
CN106289727A (en) * 2016-07-27 2017-01-04 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 A kind of element damage from laser measuring method and device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2430352C1 (en) * 2010-01-28 2011-09-27 Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем (ФГУП НИИКИ ОЭП) Method of optical part radiation strength
CN106289727A (en) * 2016-07-27 2017-01-04 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 A kind of element damage from laser measuring method and device

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
V G Shemanin, O V Mkrtychev "The optical strength of the glass nanocomposites at laser ablation", JOURNAL OF PHYSICS: CONFERENCE SERIES, т. 653 2015 г., стр. 012012-1 - 012012-5. *
Мкртычев Олег Витальевич "Лазерная абляция стеклянных образцов с наноразмерными покрытиями", диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, 2016 г. *
Мкртычев Олег Витальевич "Лазерная абляция стеклянных образцов с наноразмерными покрытиями", диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, 2016 г. V G Shemanin, O V Mkrtychev "The optical strength of the glass nanocomposites at laser ablation", JOURNAL OF PHYSICS: CONFERENCE SERIES, т. 653 2015 г., стр. 012012-1 - 012012-5. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lamaignère et al. Damage growth in fused silica optics at 351 nm: refined modeling of large-beam experiments
Quéré et al. Coherent wake emission of high-order harmonics from overdense plasmas
Duller et al. Single grain laser luminescence (SGLL) measurements using a novel automated reader
JP4528075B2 (en) Laser damage evaluation method for optical materials
Gong et al. Recent research progress of laser plasma interactions in Shenguang laser facilities
Juodkazis et al. Recording and reading of three-dimensional optical memory in glasses
JP5058180B2 (en) Method and apparatus for characterizing a thin layer material constructed on a substrate using active pyrometry
JP4637934B2 (en) Laser damage evaluation method for optical materials
RU2694073C1 (en) Method of determining optical strength of materials during single radiation
JP3793531B2 (en) Fluorescence lifetime measuring device
US3999865A (en) Method and apparatus for determining the mechanism responsible for laser-induced damage
Jafari et al. Optimal pulse-shaping in actively q-switched ytterbium-doped fiber lasers
CN108303239B (en) Laser optical element service life acceleration test and prediction method
LaBerge et al. Coherent 3D Microstructure of Laser-Wakefield-Accelerated Electron Bunches
RU2430352C1 (en) Method of optical part radiation strength
Mikheev et al. Generation of the third harmonic of near IR femtosecond laser radiation tightly focused into the bulk of a transparent dielectric in the regime of plasma formation
KR100807218B1 (en) Apparatus and method for inspecting a wafer
US7426028B2 (en) Spectroscopic feedback for high density data storage and micromachining
Mkrtychev A method for predicting the reliability dynamics of irradiated material
Richardson XXI. The complete photoelectric emission
KR20130125153A (en) Analysis apparatus for high energy particle and analysis method using the same
KR102170357B1 (en) Method for non-destructive defect detection
RU2515119C2 (en) Method of determining density of defects on surface of optical component
CN207832673U (en) A kind of pulse laser based on optical fiber repeatedly utilizes device back and forth
JP3014806B2 (en) Negative ion measurement method in plasma

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200327