Измерительный комплекс для оптического зондирования и спектрального анализа лазерноиндуцированных плазменных факелов металлов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ И СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ЛАЗЕРНОИНДУЦИРОВАННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ФАКЕЛОВ МЕТАЛЛОВ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Козадаев Константин Владимирович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Измерительный комплекс для оптического зондирования и спектрального анализа лазерноиндуцированных плазменных факелов металлов, содержащий взаимодействующие между собой блок формирования воздействующего импульса и контроля его характеристик, блок исследования спектральных характеристик плазменных факелов и блок синхронизации, отличающийся тем, что дополнительно содержит блок исследования фазовой структуры плазменных факелов, использующий схему оптического зондирования плазменных факелов на основе интегрирующей сферы, и блок обработки экспериментальных данных на основе многоканального скоростного осциллографа и портативного компьютера. 2. Измерительный комплекс для оптического зондирования и спектрального анализа лазерноиндуцированных плазменных факелов металлов по п. 1, отличающийся тем, что блок исследования спектральных характеристик плазменных факелов включает монохроматор, сопряженный с фотоэлектронным умножителем, и фотодиод для контроля временной структуры интегрального по спектру свечения плазменных факелов.(56) 1. Гончаров В.К., Концевой В.Л., Пузырев М.В., Сметанников А.С. Контроль размеров частиц мелкодисперсной конденсированной фазы эрозионных плазменных потоков в реальном времени // ПТЭ. - 1995. -5. - С. 146-155. 2..,,.,.,. , ,-//. 2007. - . 86. - . 605-614. 3.,. -. -,2007. - . 3-19. 4... . 2.. , 2008. - . 28-152. 5. Гончаров В.К., Козадаев К.В., Щегрикович Д.В. Начало конденсации в эрозионных факелах металлов при высокоинтенсивном субмикросекундном лазерном воздействии // ИФЖ. - 2011. - Т. 84. -4. - С. 723-728. 6. Козадаев К.В., Макаров В.В., Щегрикович Д.В. Оптическая развязка в схеме синхронизации мощных лазерных систем // Электроника-инфо. - 2013. -1.- С. 29-31. Предлагаемое техническое решение относится к технической физике и может быть использовано для контроля динамики спектральной, пространственной и фазовой структуры лазерноиндуцированных плазменных факелов металлов с высоким разрешением во времени. Это представляет большой практический интерес с точки зрения оптимизации лазерных технологий обработки металлов излучением умеренной и высокой плотности мощности. Известно устройство для контроля размеров частиц мелкодисперсной конденсированной фазы (фазовой структуры) эрозионных плазменных потоков металлов в реальном времени 1, состоящее из следующих компонентов блока формирования воздействующего импульса и контроля его характеристик, блока формирования зондирующего импульса,блока контроля параметров частиц конденсированной фазы в эрозионном лазерном факеле (ЭЛФ) и блока синхронизации. Недостатками этого устройства являются относительно невысокое разрешение во времени (период дискретизации измерений 25 нс), низкая вычислительная мощность блока контроля параметров частиц конденсированной фазы в ЭЛФ, принципиальная невозможность генерирования воздействующих импульсов с плотностью мощности выше 107 Вт/см 2, а также отсутствие возможности исследования спектральной структуры ЭЛФ. Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству (прототипом) является установка для измерения параметров лазерноиндуцированной атмосферной плазмы с пространственно-временным и спектральным разрешением 2, состоящая из следующих компонентов блока формирования воздействующего импульса и контроля его характеристик, блока исследования спектральных характеристик плазменных факелов,блока формирования стробоскопических изображений ЭЛФ и блока синхронизации. Установка позволяет исследовать плазменные образования, возникающие при оптическом пробое различных газов лазерными импульсами с плотностью мощности (109-1010 Вт/см 2) с разрешением во времени 20 нс. Недостатками этого устройства являются ограничение класса объектов исследования исключительно плазмой оптического пробоя газов, невозможность исследования фазовой структуры ЭЛФ, отсутствие возможности изучения временной структуры спектра высвечивания ЭЛФ, низкое разрешение во времени. Задача предлагаемой полезной модели заключается в создании измерительного комплекса для оптического зондирования и спектрального анализа лазерноиндуцированных плазменных факелов металлов, обеспечивающего возможность контроля динамики спектральной, фазовой и пространственной структуры эрозионных плазменных металлов с вы 2 99462014.02.28 соким разрешением во времени (не хуже 10 нс) в широком диапазоне плотности мощности воздействующих импульсов (107-1010 Вт/см 2). Поставленная задача решается тем, что измерительный комплекс для оптического зондирования и спектрального анализа лазерноиндуцированных плазменных факелов металлов, содержащий взаимодействующие между собой блок формирования воздействующего импульса и контроля его характеристик, блок исследования спектральных характеристик плазменных факелов и блок синхронизации, дополнительно содержит блок исследования фазовой структуры плазменных факелов, использующий схему оптического зондирования плазменных факелов на основе интегрирующей сферы, и блок обработки экспериментальных данных на основе многоканального скоростного осциллографа и портативного компьютера, а также блок исследования спектральных характеристик плазменных факелов включает монохроматор, сопряженный с фотоэлектронным умножителем, и фотодиод для контроля временной структуры интегрального по спектру свечения плазменных факелов. Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой изображена схема предлагаемой полезной модели. Блок формирования воздействующего импульса и контроля его характеристикпредставлен лазерной установкой 1 (например, ГОС 1001 или 2137, работающие в режиме модулирования добротности резонатора), ответвляющими пластинами 2 и 3, регистратором формы импульса 4 (например, фотодиод ФД 21 КП) и калориметром 5 (например, ИКТ-1 Н). Основным назначением блока исследования спектральных характеристик плазменных факеловявляется реализация аналитического метода лазерноиндуцированной плазменной спектроскопии (-- ), позволяющего производить спектроскопические исследования плазменных образований с высоким спектральным и пространственным разрешением 3. Использование наряду с методамиметодик лазерной спектроскопии, разрешенной во времени (- ) делает возможным изучение временной структуры спектра свечения плазменных образований 4, что, в свою очередь, позволяет построить более полную физическую картину процессов, протекающих в ЭЛФ металлов в результате воздействия излучения. Также значительный практический интерес представляет изучение динамики интегрального свечения ЭЛФ 5. Для обеспечения упомянутых исследовательских функций в составе блокаиспользуются спектрофотометр (например,2001) с ПЗС-линейкой в качестве оптического датчика 13 монохроматор 14 (например, МДР-12), сопряженный с фотоэлектронным умножителем 15 (например,10020 ) фотодиод для контроля временной структуры интегрального по спектру свечения плазменных факелов 10 (например, ФД 21 КП),снабженный интерференционным зеркалом 11 (1064 нм) для нивелирования вклада воздействующего излучения. Кроме этого, блоксодержит систему наведения излучения 7-9 на поверхность мишени 17, а также оптические системы 12 и 16 формирования изображения ЭЛФ 18 на входах спектральных приборов. Методика лазерного зондирования ЭЛФ 1, 5 используется для изучения процессов образования ЭЛФ и дальнейшей эволюции его фазовой структуры. Блок , обеспечивающий эти функции, содержит систему формирования и наведения зондирующего импульса 21, 22, 25, 26 на ЭЛФ (например, рубиновый лазер с блоком накачки НАКАЧКА 3000 М), систему наведения 6, 7, 19 воздействующего импульса на мишень 31, а также датчики рассеянной и поглощенной компонент зондирующего излучения 23, 24, 27, 28, 29(например, фотодиоды ФД 21 КП и ФЭУ 10020 ). Следует отметить, что в данном случае все оптические датчики также защищены от влияния воздействующего излучения и побочных вспышек интерференционными фильтрами на 694,3 нм. Блок обработки экспериментальных данныхсостоит из многоканального цифрового осциллографа 33 (например, В 422) с частотой дискретизации 100 МГц, что позволяет достичь разрешения во времени 10 нс, и персонального портативного компьютера 32. Для основных режимов работы измерительного комплекса разработано программное 3 99462014.02.28 обеспечение, предоставляющее возможность автоматизации процессов регистрации, первичной обработки и представления экспериментальных данных. Блок синхронизациипредставлен многоканальным генератором задержанных импульсов 34 (например,200), позволяющим формировать индивидуальные для каждого канала импульсы запуска в широком интервале их длительностей и временных задержек. Кроме того, для устранения ситуаций нештатного запуска воздействующего лазера наведенными помехами использована схема защиты этого канала запуска 35 (например, схема оптической развязки на основе эмиттерного повторителя 6). Измерительный комплекс работает в двух основных режимах 1. Режим исследования динамики пространственной и фазовой структуры ЭЛФ металлов. Для этого лазерную мишень 31 (представляющую собой плоскопараллельную пластину исследуемого материала) закрепляют в центре интегрирующей сферы 20, как это показано на фигуре. С помощью лазерной установки 1 формируется воздействующий импульс, который посредством поворотной системы 6 и 7 и линзы 19 фокусируется на поверхности мишени 31. Изменяя расстояние от линзы 19 до мишени 31, возможно обеспечивать различные уровни плотности мощности воздействующего излучения - от 107 до 1010 Вт/см 2. Действие лазерного импульса приводит к формированию ЭЛФ 30, который, начиная с момента своего появления, зондируется излучением вспомогательного лазера 25. Поворотная система 21, 22 позволяет производить зондирование ЭЛФ на разных расстояниях от мишени, за счет чего достигается пространственное разрешение не хуже 0,5 мм. Соотношение падающей, прошедшей и рассеянной компонент зондирующего излучения (измеряемых датчиками 24, 27 и 29 соответственно) в каждый момент времени позволяет оценить фазовую структуру ЭЛФ (т.е. параметры конденсированной фазы ЭЛФ) с высоким временным разрешением (не хуже 10 нс). Измеренные характеристики оцифровываются с помощью многоканального осциллографа 33 и в автоматическом режиме обрабатываются портативным компьютером 32. 2. Режим исследования динамики спектральной структуры свечения ЭЛФ металлов. Для этого с помощью лазерной установки 1 формируется воздействующий импульс, который посредством поворотной системы 7 и 8 и линзы 9 фокусируется на поверхности мишени 17. Изменяя расстояние от линзы 9 до мишени 17, возможно обеспечивать различные уровни плотности мощности воздействующего излучения - от 107 до 1010 Вт/см 2. Действие лазерного импульса приводит к формированию ЭЛФ 18, изображение которого с помощью систем 12 и 16 подается на вход спектральных приборов 13, 14, 15. Спектрофотометр 13 ( 2001) позволяет с высоким спектральным разрешением (до 0,1 нм) исследовать интегральный по времени спектр свечения ЭЛФ. Монохроматор 14 (МДР-12),сопряженный с ФЭУ 15 ( 10020 ), позволяет изучать динамику высвечивания узких спектральных диапазонов (шириной 0,5 нм) ЭЛФ с высоким разрешением во времени (не хуже 10 нс). Датчик 10 (фотодиод ФД 21 КП) позволяет с высоким разрешением во времени (не хуже 10 нс) исследовать динамику интегрального по спектру свечения ЭЛФ металлов. Измеренные характеристики оцифровываются с помощью многоканального осциллографа 33 и в автоматическом режиме обрабатываются персональным компьютером 32. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет в рамках одного измерительного комплекса производить комплексное исследование ЭЛФ металлов (контроль динамики их пространственной, фазовой и спектральной структуры) расширить диапазон плотностей мощности воздействующих импульсов при исследовании процессов лазерной эрозии металлов от 107 до 1010 Вт/см 2 за счет использования скоростного многоканального осциллографа повысить разрешение во времени изучаемых плазмодинамических процессов до 10 нс. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4