Методы исследования лучевой прочности оптических покрытий:

В первой группе представлены два метода, которые не являются стандартизированными.

(I) Первый метод заключается в том, что образец облучается серией лазерных лучей с последовательно увеличивающейся плотностью энергии лазерного излучения. При этом фиксируется наличие или отсутствие разрушений на исследуемом покрытии. После проведения облучения исследуемого образца определяется минимальное значение плотности энергии лазерного излучения в пределах серии облучений, при котором разрушение образовалось, и максимальное значение плотности энергии, при котором разрушение отсутствовало. В результате строится график зависимости вероятности повреждения материала от плотности энергии лазерного излучения, с помощью которого определяется порог повреждения исследуемого образца. Недостатками данного метода являются необходимость проведения большой серии опытов с малым шагом изменения плотности энергии и необходимость облучения сразу нескольких зон на образце с целью получения более точных результатов.

(II) От указанных недостатков избавляет второй метод исследования ЛП ОП, заключающийся в том, что образец облучается не одним лучом, как в первом методе, а матрицей лучей с гауссовым распределением интенсивности (огибающая интенсивности лазерных лучей, а также отдельные лазерные лучи имеют распределения интенсивности, близкие к гауссовым). Порог разрушения с помощью данного метода определяется с точностью до 10 %. По сравнению с первым, данный метод обладает большим быстродействием, но имеет существенный недостаток – отсутствие возможности изменения плотности энергии лазерного излучения в процессе эксперимента, что существенно сказывается на точности определения порога разрушения исследуемого материала.

Ко второй группе методов определения лучевой прочности, широко используемых за рубежом, относятся методы «1 - на - 1» и «S - на - 1», которые описывает международный стандарт измерения порога лазерного разрушения ISO 21254.

(III) При проведении испытания «1 - на - 1» на каждый неэкспонированный участок на поверхности образца воздействует только один импульс лазерного излучения с определенными параметрами пучка. На основе экспериментальных данных строят график зависимости вероятности разрушения от плотности энергии или плотности мощности.

Неэкспонированные испытательные участки размещают в пучке и облучают одиночными импульсами лазерного излучения с разными значениями плотности энергии или плотности мощности. Однократному воздействию предварительно заданной энергии импульса (или мощности пучка) подвергают минимум десять участков и для каждого участка фиксируют фактическое значение энергии импульса (или мощности пучка), измеренное блоком диагностики пучка, а также степень разрушения после облучения (наличие или отсутствие разрушения). Затем повторяют данную последовательность для других значений энергии импульса или мощности пучка. Диапазон используемых значений энергии импульса или мощности пучка должен быть достаточно широким для того, чтобы включать низкие значения, при которых разрушение на участках не наблюдается, и высокие значения, при которых разрушение наблюдается на каждом испытуемом участке.

Данные о значении ПЛР получают методом определения вероятности разрушения. Для того чтобы построить график зависимости вероятности разрушения от величины, в которой должен быть выражен ПЛР, вероятность разрушения необходимо определять для каждого значения плотности энергии или плотности мощности по мере увеличения как отношение числа участков с разрушением к общему числу испытуемых участков. При выполнении линейной экстраполяции данных о вероятности разрушения до нулевой вероятности разрушения получают пороговое значение. Пример показан на рисунке 1.

Рисунок 1 – График для определения ПЛР, построенный на основе экспериментальных данных.

(IV) Для определения ПЛР при проведении испытаний «S - на - 1» необходимо расширить установку и непосредственно процедуру испытания «1 - на - 1». Тем не менее для испытаний «S - на - 1» можно использовать испытательное оборудование для испытаний «1 на 1», если система онлайн-обнаружения разрушения имеет возможность прерывания последующих импульсов и остановки счетчика импульсов после обнаружения разрушения.

Неэкспонированный испытательный участок находится в пучке и облучается серией из S импульсов со значением энергии типичного импульса серии Q. При выявлении разрушения с помощью системы онлайн-обнаружения до завершения серии из S импульсов, прекращают облучение участка и фиксируют минимальное число импульсов . Затем повторяют испытания для различных значений энергии типичного импульса. Число S импульсов должно быть одинаковым в ходе всей процедуры испытания и выбрано таким образом, чтобы при испытаниях «S - на - 1» выявить характер зависимости вероятности лазерного разрушения образца от плотности энергии или мощности.

Обработка полученных данных может быть выполнена с использованием характеристической кривой разрушения или метода экстраполяции. Метод кривой разрушения используется для фундаментальных исследований, а метод экстраполяции – для ускоренной оценки порога лазерного разрушения.

Существует ещё одна методика исследования лучевой прочности оптических покрытий R - на - 1, которая является нестандартизированной.

(V) В случае, когда площадь исследуемой поверхности мала, следует использовать «R - на - 1» методику, которая позволяет получить приблизительную информацию о пороге лазерного разрушения. Данная методика отличается от «1 - на - 1» тем, что, во-первых, каждая тестируемая область облучается последовательностью из большого числа импульсов с высокой частотой следования, а во-вторых, если при данном уровне энергии прожечь область не удаётся, то уровень энергии увеличивается и поверхность облучается снова, и так пока не произойдет разрушение.

При систематическом использовании методики R - на - 1 необходимо проводить параллельные измерения с использованием стандартных методик и оценивать корреляцию результатов по двум методикам.

Наиболее популярные лазеры для определения порога разрушения:

Измерения порога лазерного разрушения могут проводиться в широком диапазоне длин волн от УФ до ИК спектрального диапазона с непрерывным, нано-, пико-, фемтосекундным режимом работы. Традиционно твердотельные лазеры (например, Nd:YAG, Ruby) являются наилучшими кандидатами для исследования лучевой прочности. Их короткие импульсы твердотельных лазеров (~ 10 нс), умеренная выходная энергия (~ 1 Дж/импульс) и небольшие лучи (диаметром ~ 6 мм) объединяются, чтобы генерировать потенциально разрушительные пиковые плотности энергии на каждом импульсе. С другой стороны, развитие мощных ультракоротких импульсных лазеров, генерирующих пикосекундные и фемтосекундные импульсы с 2 - 5 порядочными увеличенными пиковыми плотностями мощности, повысило важность лазерного повреждения таких систем. Ультракоротко-импульсные лазеры широко используются в микрообработке и фундаментальных исследованиях. В таблице 1 представлены наиболее популярные лазеры для определения порога разрушения.

Таблица 1 – Наиболее популярные лазеры для исследования порога разрушения.