8.2 Экспериментальное исследование когерентного сложения излучения двух широкоапертурных импульсных СО2 - лазеров

Когерентное сложение излучения лазерных лучей - одно из активно разрабатываемых направлений лазерной физики. В этом разделе работы сообщается о результатах эксперимента по когерентному сложению излучения двух мощных электроразрядных импульсных CO₂- лазеров, подробно описанных в разделе 8.1.

На рисунке 8.8 представлена оптическая схема эксперимента по когерентизации этих лазеров, оптические оси которых находятся в горизонтальной плоскости. Подобная схема позволяет складывать излучение четного числа широкоапертурных лазеров. Нами использованы 2 лазерные кюветы, объединенные общим модовым и активным объемами телескопическим неустойчивым резонатором со сходящимся лучом. Излучение из кювет выводилось через Брюстеровские окна из монокристаллов NaCl 0 300 мм. При одновременном включении всех секций двух лазеров, объединённых этой схемой, суммарная энергия достигала 200 Дж в импульсе (мощность в пике до 2? IO⁸Вт), при расходимости ~ IO'³рад. Из резонатора выходили два луча со сферическим фронтом, суммировавшиеся системой плоских медных зеркал 0 200 мм на удалённом на расстояние 263 м экране (рисунок 8.8). Перекрывая любой из двух каналов непрозрачным экраном, измеряли параметры работающего генератора. Энергии складываемых пучков измерялись термопарными калориметрами - ТПП 2-5 и поддерживались одинаковыми. Временной сдвиг между импульсами излучения отдельных секций лазеров контролировался с помощью осциллографа фотоприемниками на эффекте фотонного увлечения дырок в германии [320] и был минимизирован.

Оптическая схема трассы для исследования когерентного сложения содержит два блока: первый представляет собой схему сложения двух широкоапертурных лазерных лучей, второй - систему транспортировки и сведения двух лучей в дальней зоне. Излучение из лазера направлялось двумя почти параллельными пучками на зеркала второго блока.

Второй блок состоял из 8-ми плоских медных зеркал 0 200 мм, установленных на юстировочных столиках, закрепленных на подставках. Точность и жесткость

использованных юстировочных механизмов обеспечивала возможность сведения на экране двух пучков со световыми размерами 100? 100 мм (на выходе из лазерных кювет) на расстоянии 263 м с точностью до ~ 1 мм.

Рисунок. 8.8 - Схема эксперимента по когерентизации двух мощных импульсных CO₂- лазеров. 1, 7 - резонаторные медные вогнутые зеркала с радиусом R₁₂ ~ 4? IO³см; 3, 9 - окна из NaCl под углом Брюстера; 15 - квадратное (6x6 см) выходное медное зеркало с радиусом R3 ~ 2,35 х IO³см, 5,6,12, 14,16 - 19 - поворотные плоские зеркала для вывода части излучения; (0 ~ 200 мм); 2, 8 - 4-х секционные лазерные кюветы, длина активной среды меняется дискретно от 40 до 160 см; d∣₅ = d₇.₁₂=50 см; d₆.₁₄ = 16 см; длина плеч резонатора L₁₅ = L₇₁₂ = 825 см; M = 1,7; α₁ = a₂ = 11 °; 4,10,12 - полупроводниковые юстировочные лазеры; 11 - плоскопараллельная пластина из монокристалла BaF₂

В эксперименте зарегистрирована интерференция при сложении 2-х пучков излучения импульсных CO₂- лазеров при минимальном угле схождения лучей (рисунок 8.9). При уменьшении энергии излучения видность интерференционной картины увеличивается, что обусловлено динамическим диапазоном чувствительности использованной для регистрации термобумаги. Интерференционная картина и размер керна пучков излучения достаточно хорошо воспроизводились в различных пусках. Из- за малого динамического диапазона термобумаги в более яркой части керна наблюдалось заплывание интерференционной картины; явление интерференции за счет увеличения плотности энергии в максимуме полосы в ~ 2 раза позволяет зафиксировать подпороговые для данной термобумаги уровни плотности энергии лазерного излучения.

При полной расходимости пучков ~ IO'³рад на расстоянии 263 м размер фокальной перетяжки составляет ~ 0,26 м, при этом расстояние между

интерференционными максимумами или шаг интерференции составляет

где А - длина волны излучения в см;

L - расстояние между зеркалами 5, 12 и экраном 20 (рисунок 8.8) в см; δ - расстояние между центрами пучков на зеркалах 6 и 14.

Рисунок 8.9 - Отпечаток на термобумаге интерференционной картины при сведении двух лучей импульсных CO₂- лазеров

Так как керн пучков должен иметь расходимость ~ 2-Ю'⁴ рад, то максимальная плотность излучения в центре интерференционной картины не должна превышать порог оптического пробоя на экране даже при энергиях выходного излучения до 300 Дж.

Действительно,

(Дд, X L>_τp J X Tjj

где- энергия в керне импульса одного из пучков,

■ коэффициент пропускания трассы,

- дифракционный угол,

■ длина трассы,

- приведенная длительность импульса генерации (~10^⁶с).

Итак, на реальной приземной трассе экспериментально получено на удалённом на 263 м объекте когерентное сложение излучения 2-х импульсных CO₂- лазеров.

8.3 Исследование поверхности оксидированного алюминия после воздействия импульса

CO₂- лазера

Для защиты от коррозии в воздушной атмосфере узлов и деталей из алюминия и его сплавов, в авиации, машиностроении, автомобилестроении, спецтехнике, в микроэлектронике и других областях современной техники, часто используются пассивирующие покрытия на основе Al₂O₃ [420, 421]. что вызвано значительным электроотрицательным потенциалом алюминия.

Оксидная пленка, образуемая в результате технологических переходов, не гарантирует 100% предохранения от дальнейшей коррозии, вследствие высокой пористости.

В этой связи значительный интерес представляют данные об устойчивости таких покрытий к воздействию разного рода неблагоприятных факторов, в частности, интенсивного лазерного излучения.

Воздействие мощного микросекундного импульса CO₂- лазера на поверхность металлов и других конструкционных материалов изучено весьма подробно, например, [172, 174-177]. При плотности мощности излучения ≥ IO⁷Вт/см² и атмосферном давлении окружающего воздуха инициируется низкопороговый оптический пробой воздуха. Его плазма поглощает большую часть излучения и экранирует металл от дальнейшего воздействия излучения [172, 174-177 А17]. В этом случае на поверхности образца видимых следов повреждения обычно не наблюдают.

Цель этого раздела работы - исследование воздействия единичного импульса (Е ~ 500 Дж) электроразрядного CO₂-лазера [А10] на поверхность оксидированного дюралюминия. Импульс имел лидирующий пик ~ 200 нс и «хвостовую» часть ~ 5 мкс (рисунок 6.1). Площадь облучаемой зоны составляла ~ 100 см².

Методика измерений подробно изложена в главе 3. В главах 3 и 6, а также в многочисленных экспериментальных работах по взаимодействию излучения данного лазера с различными материалами, например [174-177], было зафиксировано, что до поверхности образца при такой плотности энергии излучения доходит только пиковая часть импульса. Это ~ 20 % энергии импульса, т. е., в данном случае, ~ 1 Дж/см². Так называемая полная отсечка излучения при этих условиях происходит через ~ 1 мкс после начала генерации. «Хвостовая» часть поглощается в плазме пробоя воздуха, «живущей» в этом случае ~ 20-25 мкс.

Воздействию лазерного импульса подвергались плоскопараллельные диски, изготовленные горячей штамповкой из проката Д16 диаметром 20-30 см и толщиной ~ 0,1 см, оксидированные в процессе пассивации на воздухе.

В результате воздействия излучения на поверхности пластин оставался характерный «след», совпадающий с геометрическими размерами (рисунки 8.5 и 8.10) отпечатка лазерного луча на термобумаге.

Визуально в зоне «следа» поверхность пластины после воздействия приобретала устойчивую в белую матовую окраску, не скрывающую проступающие сквозь неё царапины, образованные механической обработкой. Однако в краевой зоне пятна шириной ~ 5-8 мм этот «след» становился непрозрачным.

Для оценки особенностей модифицированного в результате лазерного воздействия слоя и свойств материала в облученной области проведились комплексные микроструктурные исследования Были использованы методы оптической профилометрии, электронной и атомно-силовой микроскопии, рентгеноспектрального и рентгеноструктурного анализа

Рельеф поверхности исследовался с помощью оптического профилометра Zygo NewView 5000.

Исследование микроструктуры проводилось в ЦКП НИТУ МИСиС на оптическом микроскопе AXIO imager. Dim, электронном микроскопе высокого разрешения JSM- 6480LV (JEOL, Япония) и сканирующем электронном микроскопе SNE4500M^[II].

Фазовый состав образцов изучали методом рентгеновской дифракции на приборе Bruker D8 ADVANCE при симметричной съемке 0 - 20 с использованием монохроматизированного излучения CuKa (λ = 1,54178 А), при комнатной температуре.

Рисунок 8.10- Общий вид зоны облучения: 1 - пластина дюралюминия Діб (d = 200 мм, h = 1 мм); 2 - «след» направленного лазерного импульса;

3 -непрозрачная граница зоны облучения

Элементный состав участков дюралюминия с исходной, пассивированной на воздухе поверхностью, а также в зоне лазерного воздействия, исследовался на растровом электронном микроскопе JSM-6480LV (JEOL, Япония) с приставкой для энерго-дисперсионной спектрометрии INCA (Oxford, UK). Она позволяет в сочетании с растровой электронной микроскопией определять элементный состав в объеме порядка 1-3 MKM³посредством регистрации характеристического рентгеновского излучения, возникающего в результате взаимодействия пучка первичных электронов с поверхностью образца.

Установлено, что в облучённой зоне вся поверхность покрывалась слоем, имеющим матовый оттенок. Наблюдались отчётливые следы неравновесного испарения, поверхность была испещрена мелкими кратерами с характерным размером ~ 0,1-5 мкм (рисунок 8.10). После лазерного воздействия следы прокатки в виде цепочки параллельных царапин на поверхности металла, ранее хорошо видные сквозь слой Al₂O₃, становились различимы фрагментарно. Также хорошо видно, что, возникшие дефекты, имеющие очаговый характер, локализуются, преимущественно, над дефектами прокатки. Некоторые из них имеют отчётливую окраску, отличающуюся от фоновой.

Наблюдались очаги белого, черного, а иногда и красного цветов. В отдельных местах отчётливо наблюдались следы «выкалывания» отдельных зёрен покрытия размером до 20 мкм (на рисунках 8.11 - 8.16 показаны снимки исследуемой поверхности с различным увеличением, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа SNE4500M).

Рисунок 8.11 - Общий вид поверхности оксидированного дюралюминия после воздействия лазерным импульсом

Рисунок 8.12- Участок поверхности, показанной на рисунке 8.11

Рисунок 8.13- Участок поверхности, показанной на рисунке 8.11

Рисунок 8.14- Участок поверхности, показанной на рисунке 8.11

Рисунок 8.15- Участок поверхности, показанной на рисунке 8.11

Рисунок 8.16- Участок поверхности, показанной на рисунке 8.11

Трех- и двумерные изображения рельефа, а также профили поперечных сечений исходной и облученной поверхностей, получали с помощью оптического профилометра Zygo NewView 5000. Методика исследований описана в разделе 6.2.1.1 (рисунок 6.8).

Первоначально на образцах выявились отчетливо наблюдаемые два цуга линий интерференции света, отражённого от поверхностей оксида и металла, что позволило измерить толщину слоя A1₂C>3 на исходной поверхности, составившую ~ 7 мкм. Поэтому, для анализа рельефа, поверхность образцов была декорирована для контраста напылением тонкой плёнки титана.

При обработке результатов обнаружено, что на поверхности наблюдаются три отчётливо различающиеся зоны: 1 - не подвергавшаяся воздействию излучения; 3 - подвергавшаяся воздействию интенсивного излучения; 2 - краевая часть облучённой зоны (рисунок 8.17).

Внешний вид и построенное трёхмерное изображение рельефа типичных участков поверхности этих зон приведены на рисунке 8.18. На исходной поверхности ортогонально царапинам механической обработки фиксируется шероховатость поверхности порядка 2-3 мкм. В направлении этих полос, поверхность выглядит сравнительно ровной, без заметных местных искажений (рисунок 8.18, 8.19).

Рисунок 8.17 - Контрольный участок периферии образца после лазерного воздействия.

Область 1 - вне зоны воздействия; область 2 - зона, проявившаяся после нанесения контрастного вещества; область 3 - зона воздействия. Точки (1-2) и (2-3) - границы между зонами 1, 2, 3

В зоне лазерного воздействия картина поверхности кардинально меняется. Она становится шероховатой, испещрённой многочисленными кратерами глубиной несколько мкм. Двух-, трехмерные и профильные изображения в оптическом интерферометре «Zygo» характерных участков опытных дисков из сплава Д16 и «следов» от лазерного воздействия представлены на рисунках 8.19 - 8.22.

Проведенные рентгеноструктурные исследования показали, что элементный состав покрытия после лазерного воздействия практически не изменился и состоит преимущественно из алюминия и кислорода с примесью серы, что соответствует исходному составу поверхностного слоя.

Фазовый состав исходной и модифицированной после лазерного воздействия поверхностей показаны на рисунках 8.23 и 8.24, соответственно. Измерения производились следующим образом. Установленный горизонтально образец вращался со скоростью 15 об/мин. Измерения проводились в интервале 20 от 20 до 80° с шагом 0,1° с экспозицией по 3 сек в каждой точке. Угловое разрешение 0,05 утл. град.

Рисунок 8.18 - Двух-, трехмерные и профильные изображения в оптическом интерферометре «Zygo» характерных участков опытных дисков из сплава Д16 со «следом» от лазерного воздействия, размер кадра 1796 х 1347 мкм. Изображение Зоны 1 (рисунок 8.17) Ra = 817 мкм

Рисунок 8.19 - Изображение Зоны 1-2; на границе областей 1 и 2, Ra = 770 мкм

Рисунок 8.20 - Изображение Зоны 2; Ra = 796 мкм

290

Рисунок 8.21 - Изображение Зоны 2-3; на границе областей 2 и 3 Ra = 1806 мкм

Рисунок 8.22 - Изображение Зоны 3; Ra = 788 мкм

Результаты этих измерений обработаны с помощью пакета программных средств DIFFRAC. Идентификация дифракционных отражений выполнена сопоставлением экспериментальных значений межплоскостных расстояний со стандартными значениями для различных веществ банка данных PDF-2 (2006) программы EVA.

Установлено, что на исходной поверхности пластины при глубине исследуемого рентгенодифракционным анализом слоя ~ 2-3 мкм основные отражения зафиксированы от фазы алюминия. Присутствуют также слабые отражения от пассивированной пленки оксидов алюминия.

В области лазерного воздействия поверхностный слой образца представляет собой поликристаллический конгломерат (рисунок 8.24), состоящий из многочисленных неравновесных фаз оксидов алюминия (моноклинный, гексагональный, ромбоэдрический Al₂O₃) и соединений алюминия с марганцем (Al₆Mn, Al₁₉Mn₄) и с магнием (Al₃Mg₂, Al_i2Mgi₇, AlMg).

Измерения на профилометре Zygo NewView 5000 показали, что исходная поверхность имела слой оксида алюминия толщиной ~ 7 мкм. В разделе 2.5 [А43] нами была проведена оценка величины коэффициента поглощения Al₂O₃на длине волны 10,6 мкм, которая составила β ~ (2-3)? IO⁴см'¹. В соответствии с законом Бугера, в слое Al₂O₃толщиной ~ 0,5 мкм излучение ослабляется в е раз. Используя табличные данные по теплофизическим свойствам Al₂O₃ [193, 273] (удельная теплоёмкость при T = 1300 К - 1,3 Дж/гхК; Т_пл= 2015 К; удельная теплота плавления - 109 Дж/г; температура кипения ~ 3500 К, теплота испарения 6,61 ккал/моль) и пренебрегая теплопроводностью и потерями тепла на переизлучение, с одной стороны, и, с другой — не учитывая вклад в тепловой баланс со стороны плазмы оптического пробоя воздуха, в которой выделяется большая часть энергии «хвостовой» части лазерного импульса, мы оценили, что для нагрева тонкого поверхностного слоя Al₂O₃до температуры испарения достаточно выделения в этом слое ~ 1 Дж/см², что соответствует плотности энергии пиковой части лазерного импульса, дошедшей до поверхности образца.

Рисунок 8.23 - Рентгеновский спектр исходной поверхности образца дюралюминия

Рисунок 8.24 - Рентгеновский спектр модифицированной поверхности образца дюралюминия

293

Это коррелирует с результатами, полученными с помощью сканирующей электронной микроскопии. На рисунках 8.11 - 8.16 наглядно видно, что поверхностный слой, как бы вспенился, а данные оптической профилометрии (рисунки 8.18 - 8.22) свидетельствуют, что слой оксида алюминия, первоначально имевший толщину ~ 7 мкм, несколько уменьшился и модифицировался. При этом наглядно видно на микрофотографиях, что царапины на поверхности дюралюминия не исчезли, хотя, зачастую, многие вновь возникшие дефекты образовались в слое оксида над этими царапинами. То есть на поверхности собственно металла практически не наблюдались следы разрушающего воздействия излучения.

В то же время, на рисунке 8.21 наглядно видно, что зона 2 выше, чем зона 3 на ~ 10 мкм, что превышает исходную величину слоя оксида. Это кажущееся противоречие можно объяснить следующим образом: вследствие газодинамических процессов в плазменном факеле, значительная доля испарённого оксида Al₂Os конденсируется на периферии облучаемой области, образуя зону 2. Так как процессы остывания расплава и конденсации испарённого вещества происходят в течение нескольких микросекунд, то в поверхностном слое оксида алюминия материал претерпевает разнообразные структурные изменения, приводящие к образованию многочисленных промежуточных модификаций в цепи фазовых превращений γ-Al₂O₃ → α-Al₂O₃ [420].

Полученные результаты коррелируют с данными работы [422], в которой исследовано взаимодействие излучения импульса CO₂- лазера с аэрозольными частицами оксида алюминия диаметром 0,7 мкм. При длительности импульса 3 мкс для их испарения необходима плотность мощности излучения ~ 1 - 5 МВт/см².

Выводы

1. Оптимизируя параметры зеркал резонатора, удалось значительно улучшить параметры выходного излучения импульсного электроразрядного СО2 - лазера.

2. Разработаны и созданы монокристаллические германиевые окна диаметром 420 мм которые были успешно испытаны в составе экспериментального 4-хлучевого лазерного комплекса.

3. На объекте, удалённом на 263 м, экспериментально получено в условиях реальной трассы когерентное сложение излучения 2-х импульсных CO₂- лазеров.

4. Используя наработанные в главах 2-7 методики изучения оптической стойкости лазерных зеркал проведено исследование особенностей взаимодействия импульса CO₂- лазера с поверхностью оксидированного дюралюминия. Показано, что излучение пиковой части лазерного импульса поглощается в тонком слое оксида алюминия, нагревая его до температуры кипения. Эти данные необходимо учитывать при отработке технологии резки поверхности изделий из алюминия или его сплавов излучением CO₂- лазера. Кроме того, полученные данные позволили предложить технологию модификации поверхности пассивированных сплавов алюминия с целью нанесения декоративных или маркирующих рисунков или надписей [А50].