Розділ 2. Методична частина
2.1. Методика опромінювання зразків у режимі генерації лазерних ударних хвиль
2.1.1. Особливості лазерної системи для генерації лазерних ударних хвиль.
Експерименти по лазерному опроміненню матеріалів здійснювались нами на спеціально розробленій комплексній лазерній установці. Відмінною особливістю даної установки є наявність двох оптичних випромінювачів з різними активними елементами, спільними блоками живлення, управління енергії накачування та індикації параметрів лазерного імпульсу. В установці передбачені та вмонтовані змінні модулятори добротності.
В якості активних елементів використовуються неодимовий та рубіновий стержні різної довжини та діаметру.
Застосування системи двох випромінювачів дозволяє:
- розширити діапазон регулювання густини потоку при різних площах поверхонь опромінюваних об'єктів;
- проводити експерименти по вивченню впливу випромінювання різних довжин хвиль та тривалостей;
- змінювати умови опромінення в більш широкому діапазоні фокусування випромінювання та регулювати рівномірність поглинання енергії по об'єму;
- використовувати для одержання різних тривалостей імпульсів більш широкий набір модуляторів добротності.
Установка змонтована на базі оптичного квантового генератора "ГОС?1001". Додатково виготовлено ще один оптичний випромінювач з рубіновим активним елементом, торці якого скошено під кутом Брюстера, що виключає паразитну генерацію.
Блок живлення та управління "ГОС?1001" перемикається на той чи інший випромінювач, в залежності від поставленого завдання. В установці передбачена можливість одночасного вмикання двох випромінювачів (?1=0.69 мкм, ?2=1.06 мкм) для синхронного впливу в різних комбінаціях імпульсів тривалістю 1 мс та 5?10-8 с. Для цієї мети використовуються пасивні модулятори, які вмонтовуються в резонатори випромінювачів за допомогою спеціальних тримачів.
Контроль параметрів температурного та механічного впливу лазерних імпульсів на досліджувані матеріали здійснюється з допомогою розроблених датчиків.
Основні параметри лазерної установки зведено в таблицю 2.1, а оптична схема опромінення зразків і реєстрації параметрів лазерного імпульсу та електричних сигналів з досліджуваних зразків приведена на рис. 2.1.
Таблиця 2.1.
Основні параметри лазерної установки:
Довжина хвилі випромінювання - 1.06 мкм, 0.63 мкм
Енергія накачування - до 5 кДж
Енергія випромінювання - 0.5 - 1000 Дж (вільна генерація);
в імпульсі - 0.5 - 25 Дж (модуляція добротності)
Тривалість імпульсу - 10-3 с; 3?10-8 с; 5?10-8 с
Модуляція добротності - пасивна (фототропні розчини
та LiF-затвор)
Частота імпульсів - до 30 імп/год.
Напруга живлення - 220/380 В, 50 Гц
Запуск установки - ручний, дистанційний
Індикація параметрів - запам'ятовуючі осцилографи типу
С8-12, С8-13
Вимірювачі енергії - ИМО-2Н, ИКТ-1
Охолодження - вимушене, двохконтурне, водяне
Розміри активних елементів: - неодим: 45?630 мм
рубін: РЛПО2Б 12?240 мм
Рис. 2.1. Оптична схема опромінення зразків і реєстрації параметрів лазерного імпульсу
та електричних сигналів з досліджуваних зразків
Частина енергії лазерного випромінювання направлялась через роздільну пластину 1 на приймач твердотілого калориметричного вимірювача і після перетворення в електричний сигнал реєструвалась попередньо прокаліброваним самописцем КСП-4 як енергія лазерного імпульсу, що попадає на зразок.
Зміна густини потоку випромінювання здійснювалась або за допомогою ослаблюючих фільтрів (скло марки К8) 2, або зміною розфокусування лінзи 3.
Кількість пічків в імпульсі випромінювання реєструвалась за допомогою фотоелемента та осцилографа С8-12.
Зразки 4 виставлялись за допомогою допоміжного гелій-неонового лазера.
Схему опромінення зразків у прозорому конденсованому середовищі в режимі генерації лазерних ударних хвиль зображено на рис. 2.2.
Прозоре конденсоване середовище 1, обмежує розширення плазми 2, завдяки чому підвищується тиск ударної хвилі.
Екран 3, служить для захисту поверхні зразка 4 від теплової дії та є областю переходу пружної хвилі в ударну. Товщина екрану вибирається відповідно до критерію утворення лазерної ударної хвилі (дивись формулу 1.2).
Обов'язковою умовою при лазерній ударно-хвильовій обробці матеріалів є забезпечення акустичного контакту 5 між екраном та зразком 4.
При проведенні експериментів з використанням феромагнітних порошкових матеріалів, які необхідно утримувати на опромінюваній поверхні мішені, можна використовувати запропонований нами пристрій для лазерної наплавки (АС. № 1429477) [151].
Рис. 2.2. Схема опромінення зразків у прозорому конденсованому середовищі
в режимі генерації ударних хвиль
1- ПКС, 2 - плазма, 3 - екран, 4 - зразок, 5 - акустичний контакт
Опромінення зразків монокристалічного кремнію в інтервалі температур 300-600 К здійснювали за методикою, схема якої представлена на рис.2.3.
При опромінюванні зразок знаходився на масивному мідному розвантажувальному імпедансному столику для лазерної ударно-хвильової обробки, який розміщали в кварцовій камері, і за необхідності нагрівали до заданої температури. Температуру контролювали за допомогою мідь-константанової термопари. Зразок екранували від прямої теплової дії лазерного променя.
Вольтамперні характеристики (ВАХ) приповерхневих шарів зразків кремнію вимірювали чотирьохзондовим методом за кімнатної температури. На основі ВАХ визначали електроопір.
Рис. 2.3. Схема опромінення зразків монокристалічного кремнію:
1 - імпедансний столик для ЛУХ обробки, 2, 4 - шар акустичного контакту,
3 - зразок, 5 - екран, 6 - прозоре конденсоване середовище, 7- кварцова камера,
8 - нагрівний елемент , 9 - термопара, 10 - оптична система формування потоку випромінювання
2.1.2 Датчик тиску.
При вивченні дії лазерних ударних хвиль на м