научная статья по теме ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА НА РАЗРУШЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Физика

Текст научной статьи на тему «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА НА РАЗРУШЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 119-124

_ ЛАБОРАТОРНАЯ _

- ТЕХНИКА -

УДК 621.375.3

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА НА РАЗРУШЕНИЕ

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

© 2004 г. А. Ф. Коваленко

Военная академия ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого Россия, 103074, Москва, Китайгородский проезд, 9/5 Поступила в редакцию 17.06.2003 г. После доработки 14.11.2003 г.

Создана экспериментальная установка и проведены экспериментальные исследования влияния временной формы лазерного импульса на откольное разрушение неметаллических материалов. Показано, что для лазерных импульсов с крутым фронтом и затяжным спадом порог откольного разрушения выше, чем для импульсов других временных форм.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время для обработки полупроводниковых, керамических, стеклообразных материалов применяются импульсные лазеры [1-4]. Если обрабатываемые материалы частично прозрачны для лазерного излучения, то возможны режимы, при которых термоупругие напряжения будут определяющими в технологическом процессе. Термоупругие напряжения, возникающие в материале при воздействии импульса лазерного излучения, теоретически исследованы в ряде работ [5-8]. В [7] путем решения несвязанной динамической задачи термоупругости для полупространства получено аналитическое соотношение для максимальных растягивающих напряжений в поглощающем слое материала

о„

= 3Kax

ус

sh(xz)e

-%со(т, + zj со)

j q(T)

Хс0ти ,

e ат,

(1)

ны аналитические соотношения для расчета максимальных растягивающих напряжений для нескольких временных форм лазерных импульсов одинаковой длительности и плотности энергии:

0 < t <ти

,0, t >Ти J импульс прямоугольной формы;

Г q2 (1- t/Ти), 0 < t <Ти

?2

0, t >Ти

(2)

(3)

треугольный импульс с крутым фронтом и линейным спадом;

?3

?3t/Ти, 0 < t <Ти 0, t >Ти

(4)

где аш - максимальное растягивающее напряжение; К - модуль всестороннего сжатия; а - коэффициент линейного расширения; % - показатель поглощения материала на длине волны лазерного излучения; у - плотность материала; с - удельная теплоемкость материала; с0 - скорость звука в материале; ти - длительность лазерного импульса; г - координата, отсчитываемая от поверхности вглубь образца; д - плотность потока лазерного излучения.

Расчеты в [7] проведены для лазерного импульса прямоугольной временной формы, который практически не может быть реализован.

В [8] проведено теоретическое исследование влияния временной формы лазерного импульса на откольное разрушение в материале и получе-

треугольный импульс с линейным фронтом и крутым спадом;

ГqA( sin(nt/Ти), 0 < t <Ти)] ?4 = Г \- (5)

10, t >Ти J

импульс в виде положительной полуволны синусоиды;

qs

b1te , 0 < t <ти

0, t > ти

(6)

импульс, убывающий по экспоненциальному закону;

q6 =

q6(1- t/Ти)2, 0 < t <ТИ

0, t > ти

(7)

импульс убывающий параболический с крутым фронтом;

т

0

¡1 2.0

1.5

1.0

0.5

-1 -п-5

-2 -»-6

-3 -^7 -4

5

Я1

Рис. 1. Зависимость отношения (<5+т )/(о^ )1 от параметра Я1 (г = 1, 2, ..., 7 - номера форм импульсов).

?7

(гКи) , 0 < г <ти .0, г >Ти

(8)

импульс возрастающий параболический с крутым спадом.

Коэффициенты Ь1 и Ь2 в уравнении (6) определяются из условий:

Ь1 = q5elЬ2 = е^,

(9)

/г(а1) =

(от )г

/ 2 ( а1) =

(0т )1

2 [ е" 1 ( 1 + ¿г 1 ) ]

("1 ;

а1( 1-е )

2(е 01 + а1 - 1) а1( 1-е )

(10)

(11)

(12)

/4( О ) =

2 /1 -Я1 ч

п а1(1 + е ) 2 (а? + п2)(1 - е"1)'

/ 5( а1 ) =

а, е

1 -Я1 1 - е

/б(а1) =

/7 (¿1) =

3[2 - е 01 (2 + 2а1 + )]

2/1 -а1л

а1( 1-е ) 3[+ 2(1 - а1 - е а1)]

2/1 -а1\ а1 (1-е )

(13)

(14)

(15)

(16)

где W = q (г)Лг - плотность энергии; г - время.

Рассматриваемые временные формы импульсов являются абстрактными, но позволяют выявить тенденции увеличения или уменьшения максимальных напряжений в зависимости от формы импульса. В реальных лазерных установках возможно приближение к той или иной временной форме импульса.

Для рассматриваемых временных форм лазерных импульсов в [8] проведено сравнение отношений максимальных растягивающих напряжений к максимальному растягивающему напряжению для прямоугольного лазерного импульса:

где а1 = %с0ти - безразмерный параметр, введенный в [7], характеризующий отношение длительности лазерного импульса к времени пробега звуковой волной зоны энерговыделения.

Графики зависимостей / (а1), рассчитанные по соотношениям (10)-(16), представлены на рис. 1. Видно, что временная форма лазерного импульса оказывает существенное слияние на максимальные растягивающие напряжения. Это влияние возрастает с увеличением безразмерного параметра а1. При а1 < 0.5 форму лазерного импульса можно не учитывать. Погрешность расчета максимальных растягивающих напряжений при этом не превысит 25%. При а1 > 1 временную форму лазерного импульса необходимо учитывать обязательно, так как ее неучет приведет к погрешности в расчетах от 30 до 200% в зависимости от формы импульса и значения параметра а1.

Рис. 1 показывает, что лазерные импульсы с крутым фронтом и затяжным спадом вызывают минимально возможные растягивающие напряжения и могут применяться для высокотемпературного лазерного отжига, аморфизации и легирования неметаллических материалов. Лазерные импульсы с затяжным фронтом и резким спадом вызывают максимально возможные растягивающие напряжения и могут применяться для скрай-бирования неметаллических материалов.

Откольное разрушение материала со стороны облучаемой поверхности возможно, если максимальные растягивающие напряжения превысят предел прочности материала на растяжение. Нижняя граница откольного разрушения для рассматриваемых временных форм лазерных импульсов в плоскости безразмерных параметров а1 и а2 имеет вид [8]:

(а2) 1 = ах/(1- е"1); (17)

2 -а,

(а2 )2 = а\/{ 2 [ 1- е 1( 1 + а1)]}; (18)

(а2 )3 = а?/ [ 2 (е"1 + а1-1)]; (19)

-

0

1

Рис. 2. Схема экспериментальной установки. 1 - юстировочный Не-Ке-лазер; 2 - лазер ГОС 1001; 3,5 - зеркала резонатора; 4 - модулятор добротности; 6, 9 - усилители на основе ГОС 1001; 7, 8 - призмы; 10, 11 - пластины; 12 - ФК-19; 13 - ТПИ2-5; 14 - линза; 15 - исследуемый образец; 16 - осциллограф С8-12; 17 - устройство синхронизации.

(а2 )4 = 2( а? + п2)/[п2 (1 + е"1)]; (20)

(а2)5 = е а1; (21)

(а2 )б = а3/{ 3 [ 2- е"1 (2 + 2 а1 + а\)]}; (22)

(а2)7 = а3/{3[а\ + 2(1-а1 -е а1)]}, (23) 3 KaxW

где а2 = 2ус0— _ безразмерный параметр, введенный в [7], характеризующий отношение максимально возможного при заданной плотности энергии растягивающего напряжения к прочности материала на разрыв овр. Верхняя граница применимости полученных решений оценивается соотношением [7]

3 K a T

a2 < 2а

f

(24)

вр

где Tf - температура трансформации, при которой материал теряет упругие свойства. Например, для стекла К8 параметр a2 < 4.5, для Ge он <4.3, для GaAs - < 3.5, для кварцевых стекол - < 0.5.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

С целью экспериментальной проверки влияния временной формы лазерного импульса на максимальные растягивающие напряжения была собрана экспериментальная установка, схема которой представлена на рис. 2.

Установка содержит задающий генератор 2, собранный на основе Ш-лазера ГОС 1001, работающего в режиме модулированной добротности, и два усилителя (6, 9), также собранные на основе лазеров ГОС 1001. Для предотвращения паразитной генерации в усилителях 6, 9 применялись активные элементы со скошенными торцами. В задающем генераторе 2 использовался пассивный модулятор добротности 4. Для увеличения длительности импульса расстояние между зеркалами резонатора 3, 5 было увеличено до 2 м.

Плоскопараллельными пластинами 10, 11 часть излучения отводилась в канал измерения длительности и временной формы импульса излучения, содержащий фотоэлемент ФК-19 (12) и запоминающий осциллограф С8-12 (16), и на калориметрический преобразователь ТПИ2-5 (13). Линзой 14 с фокусным расстоянием 100 см излучение фокусировалось на исследуемые образцы в пятна 0 1-2 см. Устройство синхронизации обеспечивало синхронный запуск задающего генератора 2, усилителей 6, 9 и, с некоторой задержкой, развертки осциллографа.

Усилители 6, 9 работали в режиме, близком к насыщению, благодаря чему инверсная населенность активных сред усилителей сбрасывалась преимущественно на фронте импульса излучения [9]. Импульс задающего генератора после прохождения усилителей укорачивался на ~5 нс, имел крутой фронт, затяжной спад и временную форму, близкую к треугольной с крутым фронтом и линейным спадом (импульс № 2, формулы (3), (11)). Длительность импульса по уровню 0.1 амплитуды составляла ~0.12 мкс, энергия излучения в импульсе - до 80 Дж.

Рис. 3. Осциллограммы импульсов излучения задающего генератора (а) и экспериментальной установки (б).

Призмы 7 и 8 устанавливались в сечении А-А перед усилителями 6,9. Это позволяло использовать в экспериментах импульс задающего генератора, временная форма которого была близка к временной форме положительной полуволны синусоиды (импульс № 4). Длительность импульса излучения задающего генератора составляла ~0.125 мкс, энергия излучения в импульсе - до 40 Дж. На рис. 3 представлены осциллограммы импульсов излучения задающего генератора и экспериментальной установки после прохождения двух усилителей. Видно, что импульс, прошедший два каскада усиления, в отличие от импульса задающего генератора имеет крутой фронт и затяжной спад.

В экспериментах измерялись энергия излучения, длительность и временная форма импульса, диаметр пятна на испытываемом образце. Результат воздействия лазерного излучения на испытываемые образцы контролировался визуально.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В эксперименте использовались прямоугольные образцы, изготовленные из цветных оптических стекол НС-12 и СЗС-21, обладающих на длине волны 1.06 мкм показателями поглощения 17 см-1 и 23 см-1 соответственно [10]. Механические свойства указанных стекол соответствуют свойствам стекла К8 [7, 11].

При воздействии лазерного импульса экспериментальной установки с временной формой, близкой к форме импульса № 2, для плотнос

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком