Лазерная сканирующая система и методы обработки изображений полей сканирования для контроля лучевой прочности оптических элементов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Ахмадуллин Радик Минзагитович

• Ахмадуллин Радик Минзагитович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Ахмадуллин Радик Минзагитович

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Лазерный пробой в оптических материалах

1.2 Методы тестирования оптических элементов на порог лазерно-индуцированного разрушения в оптических материалах

1.2.1 Микроскопия дифференциально-интерференционного контраста

(ДИК микроскопия)

1.2.2 Метод диагностики рассеянного света

1.2.3 Метод детектирования плазменной вспышки

1.3 Методы оценки величины лучевой прочности

1.3.1 Метод однократного воздействия в одну точку (1-on-1)

1.3.2 Метод многократного воздействия в одну точку (S-on-1)

1.4 Особенности лазерных систем тестирования

оптических элементов на порог лучевой прочности

1.5 Факторы, влияющие на лучевую прочность оптических элементов

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОГО РАЗРУШЕНИЯ

В ПОГЛОЩАЮЩИХ МАТЕРИАЛАХ

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОГО РАЗРУШЕНИЯ В ФТР СТЕКЛАХ

3.1 Общие сведения о голографических материалах пригодных

для записи объемных Брэгговских решеток (ОБР)

3.2 Основные свойства фото-термо-рефрактивного (ФТР) стекла

и его модификаций

3.3 Лазерное индуцированное разрушение ОБР

3.4 Применение ОБР в силовой оптике

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ЛАЗЕРНОЙ СКАНИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОГО РАЗРУШЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

4.1 Анализ изображений полей сканирования для контроля

лучевой прочности оптических элементов

4.1.1 Алгоритм обработки на основе сравнения средней яркости изображения поля сканирования в области лазерно-индуцированного разрушения с яркостью изображения, в не подвергшейся разрушению (фоновой) области

4.1.2 Алгоритм обработки на основе детектора границ Канни

4.1.3 Алгоритм обработки на основе измерения размерности Минковского

для контура разрушений

4.1.4 Численное экспериментальное сравнение алгоритмов обработки

и рекомендации к процедуре фотофиксации полей сканирования

4.2 Лазерная сканирующая система контроля

лучевой прочности оптических элементов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ТЕКСТЫ ПУБЛИКАЦИЙ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Лазерная сканирующая система и методы обработки изображений полей сканирования для контроля лучевой прочности оптических элементов»

РЕФЕРАТ 1. Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования

Постоянный рост выходной мощности изделий лазерной техники, прогресс в конструировании данного типа систем и комплексов, совершенствование технологий обработки оптических материалов, а также появление новых модифицированных материалов, обуславливают необходимость определения величины порога лазерно-индуцированного разрушения (ПЛР) и сертификации оптических элементов на величину лучевой прочности. В настоящее время актуален вопрос создания оптоэлектронного оборудования, позволяющего измерять ПЛР с высокой скоростью в автоматическом режиме. В таких системах наряду с высокой точностью должна быть реализована возможность как можно более раннего определения факта лазерного разрушения, то есть повышена чувствительность и сокращено время на обработку результатов измерений.

Существует ряд публикаций [1]-[3], посвящённых разработке таких комплексов и установок, но внимание в этих работах в основном сосредоточено на улучшении энергетических и пространственно-временных параметров лазерных систем, а сами комплексы разработаны для решения узкоспециализированных задач. Число исследований, посвященных автоматизации процесса идентификации лазерных разрушений в оптических элементах, достаточно мало. Поэтому проблема повышения точности процедуры тестирования образцов и автоматизации процедуры тестирования, благодаря которым можно значительно сократить время обработки результатов измерений ПЛР, нуждается в дополнительном исследовании.

Известно, что даже при соблюдении методологии, описанной

в стандарте ISO 21254 при определении ПЛР на одних и тех же образцах погрешность может достигать 21% [4], а также известна публикация [5], где приводятся источники ошибок измерений такие как многочастотные лазеры

и аберрации при фокусировке ЛИ в объем оптического элемента. К сожалению, несмотря на большое количество систем для определения лучевой прочности, совершенствованию самого процесса анализа результатов лазерного разрушения оптического материала не уделяется должного внимания, хотя, очевидно, что за счет алгоритмизации можно повысить точность и чувствительность этих систем, что весьма актуально.

Перспективные оптические элементы для лазерной техники, в частности, объемные фазовые голограммы на основе фототерморефрактивных (ФТР) стекол находят все более широкое применение в лазерной технике [6]-[9]. Например, на их основе возможно создание зеркал [6], [10] и спектральных фильтров [7], [11] для мощных твердотельных, полупроводниковых и волоконных лазеров. Основные оптические и спектральные свойства стекла ФТР описаны в работах [12], [13]. Известны хлоридное и фторидное ФТР стекла синтезированные в Университете ИТМО (СПб, Россия) [13]. Особое внимание уделяется исследованиям вариаций легирующих примесей и состава ФТР стекла в целях улучшения оптических характеристик и расширения сфер их применения. Известно, что модификация состава ФТР стекла ведет к уменьшению оптических потерь в видимом спектральном диапазоне связанному с особенностями поглощения коллоидного серебра [14]. Однако стоит отметить, что лучевая стойкость как самих ФТР стекол, так и ФТР стекол с записанными в них объемными брэгговскими решетками (ОБР) мало изучена. В этой связи, представляет интерес более подробное изучение механизмов, причин и закономерностей микроразрушений в ФТР стеклах с и без ОБР при воздействии мощного лазерного излучения (ЛИ).

Целью данной диссертационной работы является разработка методов, повышающих точность измерений порога лазерно-индуцированного разрушения в оптических элементах, в том числе фототерморефрактивных стеклах с и без ОБР и позволяющих автоматизировать процесс этих измерений,

а также лазерной системы для реализации этих методов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Измерение лучевой прочности многослойных диэлектрических покрытий, нанесенных на поглощающую подложку;

2. Расчёт и анализ динамики термо-индуцированных напряжений, возникающих при воздействии мощного лазерного излучения на многослойные диэлектрические покрытия, нанесенные на поглощающую подложку;

3. Исследование лучевой прочности, а также механизма и морфологии разрушения в объемных брэгговских решетках при воздействии мощного лазерного излучения;

4. Исследования влияние ионного упрочнения поверхностей на лучевую прочность объемный брэгговских решеток записанных в фототерморефрактивном стекле;

5. Сравнение различных алгоритмов обработки изображения для задачи выявления разрушения на изображении скана исследуемого оптического элемента;

6. Разработка алгоритмов автоматизации детектирования и дифференциации морфологии лазерно-индуцированного разрушения оптических материалов и покрытий.

7. Разработка макета лазерной сканирующей системы для контроля лучевой прочности оптических элементов, реализующей предложенные в работе методы.

Научная новизна

1. Впервые в оптико-электронных системах для определения порога лазерно-индуцированного разрушения оптических элементов предложено использовать блок подсветки со скрещенными поляризаторами и показано, что порог лазерно-индуцированного разрушения объёмных брэгговских решёток, записанных в хлоридных фототерморефрактивных стеклах

с температурой терморазвития 350°, излучением лазера с длиной волны 532 нм и длительностью импульса ~3.5 нс для ионно-упрочненных поверхностей повышается в ~2.5 раза, при увеличении времени ионного обмена в ~3 раза.

2. Впервые при анализе изображений лазерно-индуцированных разрушений предложено анализировать размерность Минковского и показано, что при многократном воздействии излучения лазера с длиной волны 1064 нм и длительностью импульса ~5 нс на монокристалл SiC с многослойными покрытиями НГО2^Ю2 или Та205^Ю2 порог лазерно-индуцированного разрушения многослойных покрытий снижается при наличии поперечных микросмещений диэлектрического зеркала относительно лазерного пучка в ~2,5 раза для покрытия НЮ2^Ю2, и в ~3 раза для покрытия Та205 / SiO2.

3. Впервые обнаружено, что при многократном воздействии излучения лазера с длиной волны 1064 нм и длительностью импульса ~5 нс на образец максимальный градиент термоупругих напряжений в области воздействия наблюдается при поперечных микросмещениях нанесённого на поглощающую подложку SiC диэлектрического зеркала с многослойным покрытием НГО2^Ю2 относительно лазерного пучка на величину равную диаметру лазерного пучка.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Лазерная сканирующая система для контроля лучевой прочности оптических элементов, содержащая лазер на кристалле Nd:YAG с электрооптической модуляцией добротности и возможностью генерации гармоник, как минимум четырех-осевой моторизованный транслятор, 2-х осевой сканер с F-Theta линзой, и систему видеорегистрации области воздействия лазерного излучения с разрешением не ниже 1080р за счет пространственной и временной селекции генерирующая одномодовое излучение с М2 ~ 1.2, длительностью импульса 1±0.1нс, частотой 100 Гц и минимальным

диаметром пучка (в области воздействия) 50 мкм, позволяет автоматизировать обработку изображений сканов лазерно-индуцированных разрушений с помощью модифицированного алгоритма Канни с последующим расчетом размерности Минковского и измерить порог лазерного разрушения оптических материалов в диапазоне плотностей мощности от 0,05 ГВт/см2 до 100 ГВт/см2.

2. Метод, на основе детектирования контуров оператором Канни с последующим расчетом размерности Минковского при анализе изображения области воздействия лазерного излучения в оптическом элементе, позволяет наряду с фактом наличия в нем оптического разрушения дифференцировать механизм разрушения и обнаружить, что для теплового механизма разрушения ФТР стекла фрактальная размерность Минковского лежит в диапазоне 1.19^1.25, а в случае образования трещин в диапазоне 1.09^1.15 и дополнить тем самым объем информации необходимой для разработки оптических элементов с заданными свойствами.

3. Метод получения и обработки изображения области воздействия при анализе лазерного разрушения объёмных брэгговских решётках (ОБР), зарегистрированных в ФТР стекле и его модификациях в схеме подсветки со скрещенными поляризаторами при применении оператора Канни с последующим расчетом размерности Минковского, позволяет обнаружить ранее невидимые в ОБР лазерно-индуцированные микродефекты, а также различать разрушения, расположенные в плоскости, смещенной относительно плоскости наблюдения и повышает тем самым чувствительность лазерных систем контроля лучевой прочности оптических элементов.

Практическая значимость:

1. Полученная в работе информация о порогах лазерного разрушения ФТР стекол использована при разработке перспективных ФТР стекол для силовой оптики.

2. Предложенные метод и алгоритмы автоматизации обработки результатов измерений для определения лучевой прочности оптических покрытий и материалов на основе сравнения яркостей и работы с контурами, использованы при разработке лазеров и приборов контроля оптических элементов.

3. Предложенный в работе метод анализа изображений использован для оценки визуально сложных оптических изображений.

Внедрение результатов работы

Получен Акт о внедрении от 28.05.2021 (ООО "ОПТИКА АМЕТИСТ", СПб), а также Акт о внедрении от 10.06.2021 (АО "НПП "Сигнал").

Методология и методы исследования

Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы геометрической оптики, теплофизики. Методика определения лучевой прочности включала нанесение прямоугольного паттерна микроразрушений на поверхность образца согласно стандартам ГОСТ Р 58369-2019, ГОСТ Р 583702019. Теоретические исследования осуществлялись в процессе компьютерного моделирования в программах COMSOL Multiphysics 5.4 («COMSOL Inc.», США). Обработка изображений проводилась в программе Adobe Photoshop CC 2020 («Adobe Inc.», США). Статистические расчеты проводились в программе Origin («OriginLab Corporation», США). Обработка изображений при помощи разработанных методов и модифицированных алгоритмов для идентификации лазерно-индуцированных разрушений на микрофотографии проводилась в математическом ПО Matlab R2018b («The MathWorks», США). В экспериментах, при проведении измерений энергетических характеристик лазерного излучения использовалось современное измерительное оборудование, в том числе измеритель мощности-энергии лазерного излучения Ophir («OPHIR Photonics», Израиль), измеритель профиля пучка WinCamD-UCD12 («DataRay Inc.», США), осциллограф Tektronix TDS 2022b («Tektronix, Inc.», США).

Достоверность полученных результатов

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается использованием обоснованных теоретических

и экспериментальных физико-математических методов, и современного оборудования, воспроизводимостью полученных экспериментальных результатов, адекватностью и логичностью используемых теоретических моделей, согласованностью полученных теоретических результатов с собственными экспериментальными данными и данными других авторов.

Апробация результатов работы

Результаты диссертационного исследования были представлены и обсуждались на университетских, всероссийских

и международных конференциях:

• VII Конгресс молодых ученых;

• VIII Конгресс молодых ученых;

• IX Конгресс молодых ученых;

• X Конгресс молодых ученых;

• XLVII Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО;

• XLVIII Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО;

• XLVIX Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО;

• Пятидесятая научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО;

• XXVI международная конференция Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии, геоэкологии и транспорте - 2018;

• Международный симпозиум «Фундаментальные основы лазерных микро-и нанотехнологий» - 2019 (FLAMN-2019);

• Laser Optics 2018.

Личные вклад автора

Постановка цели и задач диссертационной работы проведены совместно с научным руководителем. Все результаты, приведенные в диссертации, составляющие ее научную новизну и выносимые на защиту, получены лично автором или при его непосредственном участии. Статьи подготовлены автором совместно с научным руководителем и соавторами.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы из 153 наименований. Основной текст работы изложен на 229 страницах, содержит 39 рисунков и 9 таблиц.

2. Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цель и задачи, которые необходимо было решить в ходе работы, перечислены методы исследования, отражены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору литературных источников по теме диссертации, а именно рассматриваются методики тестирования оптических элементов на ПЛР в оптических материалах. Описаны методы детектирования разрушения, такие как ДИК микроскопия, диагностика рассеянного света и метод детектирование плазменной вспышки.

Приведено описание методики по выявлению ПЛР согласно методикам ISO 21254 [15]-[18] (в РФ он был переведен на русский язык с дополнениями авторов и введен в действие в 2019 году) [19], [20]. Содержание ISO 21254 включает определение и общие принципы [15], определение пороговых значений [16], обеспечение возможностей управления энергией лазера [17] и методы обнаружения и измерения ПЛР [18].

Суть разрушающей методики заключается в нанесении разрушений на образец в виде прямоугольного массива из точек разрушений размерностью минимум 10х10, в каждой строке будет отличаться плотность мощности/энергии лазерного излучения, общее представление методики приведено на рисунке 1.

Рисунок 1 - Иллюстрация принципа однократного тестирования лучевой прочности образца

(разрушающий контроль)

Долю поврежденных участков принято называть вероятностью повреждения материала для данного значения плотности мощности излучения. Эта процедура повторяется для других значений энергии лазерного излучения до тех пор, пока диапазон значений не станет достаточно широким, чтобы включить значения излучения, приводящие к нулевой (доля поврежденных участков равна нулю) и 100% вероятности повреждения.

После разрушения происходит его идентификация на оптическом образце одним или несколькими существующими методиками. Обычно для идентификации наличия разрушения используются такие методы, как микроскопия, диагностика рассеянного света [21], детектирование плазменной вспышки [22], измерение пропускания/отражения [23] и акустической ударной волны [24]. Из полученных согласно вышеперечисленным методам данных рассчитывается вероятность возникновения пробоя от плотности мощности. Для построения графика зависимости вероятности разрушения от параметров лазерного излучения необходимо подсчитать количество разрушений в каждом

X

-X-

—>

В ГВт/смг

ряду, детектируемых при помощи оптической микроскопии.

Оператор непосредственно через микроскоп или анализируя микрофотографию проводит анализ и строит график. Значения плотности мощности/энергии лазерного излучения на уровне 0% вероятности появления разрушений, где имеется пересечение аппроксимирующей прямой с осью абсцисс и являются ПЛР для оптического материала.

Также в содержание данной главы включён обзор существующих установок для процедуры определения порога лучевой прочности как при помощи разрушающего, так и при помощи неразрушающего контроля. Разрушающий контроль, который взят за основу диссертационной работы, используют и другие разработчики, однако имеется различие в подходе к нанесению разрушений. Принципиальная схема установки для разрушающего контроля лучевой прочности показана на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема системы разрушающего контроля, применяемой при тестировании

В типичном процессе измерений выходную мощность аттестованного лазера регулируют, используя переменный аттенюатор, состоящий из полуволновой пластины и фиксированного поляризатора. Другая полуволновая пластина используется для изменения поляризации лазерного луча в соответствии с тестовой спецификацией поляризации. Лазерный луч делится с помощью светоделительной пластинки, которая направляет часть пучка на диагностический узел,

лучевой прочности образца лазерным излучением

который позволяет в реальном времени измерять энергию импульсного излучения, пространственные и временные профили лазерного пучка. Для определения наличия повреждений используется система обнаружения повреждений, контролирующая открытую область. Лазерная система, которая используется в качестве источника света для испытаний на повреждение лазером, должна удовлетворять требованиям, определенным в стандартах ISO, таким как стабильность лазерного излучения и качество пучка.

В первой главе также описаны основные лазерные комплексы применяемые для определения лучевой прочности [2]-[4], [25]-[27]. В одной из рассмотренных установок [2] в основу был взят метод матричного (фракционного) воздействия [26] и методика однократного (однопучкового) воздействия в одну точку (1-on-1) согласно стандартам ISO. Установка позволяет работать на основной (1064 нм) и второй (532 нм) гармониках Nd:YAG лазера. На выходе лазера получен импульс с энергией до -0,7 Дж (статистический разброс менее 10 %) и длительностью - 3 нс. При этом максимальная плотность энергии в матричном и однопучковом каналах на первой гармонике - более 40 Дж/см2. Установка состоит из лазера, системы деления излучения на однопучковый и матричный канал оперативного контроля, системы наведения излучения на образец, системы контроля параметров излучения и системы определения лучевой прочности испытываемого образца. Пример пятна ЛИ для однопучкового (правильной Гауссовой формы) и матричного (фракционного) воздействия ЛИ на исследуемый образец приведен на изображении 3.

1 mm • лп _ _l 0,5 mm

а) б)

Рисунок 3 - Изображение пучков ЛИ на образце в однопучковом канале (а), в матричном (б)

Авторы [3] подчеркивают, что недостатком матричного метода является отсутствие возможности изменения плотности энергии лазерного излучения в процессе эксперимента, что может сказаться на точности эксперимента. В качестве уникальной особенности данного комплекса авторы представляют специальный разработанный алгоритм обработки изображений тестируемых образцов, позволяющий вести подсчет пикселей, в которых имеются признаки разрушения. Однако авторы не приводят конкретные технические параметры используемой системы регистрации (CCD матрицы объектива).

Также в научной литературе [28] сообщается о способе выявления лазерного разрушения оптических материалов по нелинейному рассеянию света, проходящему через скрещенные поляризаторы, в матрице исследуемых материалов еще до порога визуально различимого микроразрушения. Авторы пришли к выводу что характер изменений в рассеянии лазерного излучения зависит от типа материала. Например, в сапфире, стекле БК-104 и лазерных стеклах изменения нелинейного рассеяния носили резкий характер в узком интервале интенсивностей воздействия на образец вблизи порога разрушения. Но в стекле ТФ-8 изменения носили более плавный характер в более широком интервале интенсивностей лазерного воздействия. Данные наблюдения свидетельствуют о более высокой чувствительности методики с использованием скрещенных поляроидов по сравнению с наблюдением рассеяния без них при обнаружении подпороговых необратимых изменений в прозрачном твердом материале.

В одной из работ [27] описан лазерный комплекс, особенностью которого стала система обнаружения повреждений в реальном времени, также онлайн алгоритм, корректирующий рассчитанное значение при процедуре S-on-1. Онлайн алгоритм авторов позволяет определить диапазон энергий, в пределах которого будет получены сканы разрушений, содержащие нулевую и сто процентную вероятность разрушений. Для определения разрушения в реальном времени авторы используют скоростной фотодиод, регистрирующий

плазменную вспышку после появления разрушения, однако точность идентификации зависит от шумов и уровня чувствительности скоростного фотодиода. Схема установки приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема измерения повреждений. PCU - блок управления периферией на базе быстродействующего цифрового сигнального процессора [27]

В завершении главы, приводится ссылка на работу [4], которая отмечает важность постоянного детектирования условий окружающей среды и состояния тестируемого материала при которых проводится определение лучевой прочности, а также необходимость повышения чувствительности разрабатываемых установок. В данной работе сообщается о проблемах и высокой погрешности (порядка 21 %) при исследовании лучевой прочности образцов на длине волны 1 мкм в субпикосекундном (0,8 пс) диапазоне длительностей импульса согласно методике ISO. Было отмечено что стандартизация и сравнение протоколов результатов исследования лазерного повреждения являются важными предпосылками для разработки точного контроля качества оптических компонентов, используемых в мощных лазерных установках. Публикация [5] отмечет важность источников ошибок измерений ПЛР таких как

многочастотные лазеры и аберрации при фокусировке ЛИ в объем оптического элемента.

Вторая глава посвящена исследованию особенностей лазерно-индуцированного разрушения (ЛИР) в поглощающих ЛИ материалах. Представлено теоретическое и экспериментальное исследование лучевой прочности следующих образцов: отражающие диэлектрические зеркала с покрытиями HfO2/SiO2, а также Ta2O5/SiO2 нанесенных на поглощающую подложку из SiC. Эксперимент был направлен на изучение лучевой прочности образцов методом 1-on-1 и S-on-1. Моделирование методом конечных элементов было направлено на анализ тепловых полей и напряжений в процессе воздействия ЛИ на образцы.

В ходе эксперимента по определению ПЛР было замечено 2-3 кратное снижение значения порога при следующих обстоятельствах: наличие вибраций и микросмещений образца относительно лазерного пучка в перпендикулярном направлении во время нанесения тестового паттерна.

ПЛР в режиме воздействия пачки импульсов в точку (S-on-1) снижался с 3.7 ГВт/см2 до 1.5 ГВт/см2 для покрытия HfO2/SiO2 и с 2.7 ГВт/см2 до 0.8 ГВт/см2 для покрытия Ta2O5/SiO2, на подложках из монокристаллического SiC. Для квазинепрерывного режима воздействия использовался Yb-волоконный лазер с импульсами длительностью 160 нс и частотой следования импульсов 20 кГц, при этом значения ПЛР изменились с 0.6 МВт/см2 до 0.15 МВт/см2 и с 0.6 МВт/см2 до 0.36 МВт/см2 для покрытия HfO2/SiO2 и Ta2O5/SiO2 соответственно.

В системе COMSOL Multiphysics 5.4 («COMSOL Inc.», США) было проведено моделирование воздействия на образец ЛИ в импульсном и непрерывном режимах. Наглядное представление полученных при моделировании распределений температуры показано на рисунке 5. Для расчета использовалось дифференциальное уравнение теплопроводности в частных производных, модель является нестационарной и рассматривает динамику процессов во времени.

а = 0 см 1

а = 104 см-1

Рисунок 5 - Распределение тепловых полей (сине-красная цветовая гамма) и демонстрация смещения источника ЛИ для изучаемых образцов SiC с покрытиями

Лазерный источник излучения был представлен как тепловой источник, в котором было учтено объемное поглощение по закону Бугера — Ламберта — Бера. Конечное уравнение для расчета термо-индуцированных напряжений приведено ниже [29]:

д2 а22 р д2агг 1 + V д2Т(х, у, г, €)

-—-■-—-• о, • о-

дг2 Е . (1 + у \ дг2 1 — Vй дг2

1 + V (1 + 1 — 2^

где Е - модуль Юнга, ГПа; р - коэффициент линейного расширения, К-1; V - коэффициент Пуассона; а - показатель поглощения, см-1.

Начальные и граничные условия:

1. Начальная температура системы равна То= 293 К;

2. Лучистый поток из облученной поверхности должен быть равен потоку теплового излучения от материала по закону Стефана-Больцмана, но в силу его малости им можно пренебречь;

3. На поверхность подложки (при у = 0) происходит перенос тепла, возникающий от воздействия ЛИ, который можно задать граничным условием первого рода, определяющее поведение системы на границе области;

4. На свободных границах установим граничное условие третьего рода, описывающее теплообмен с окружающей средой -естественная конвекция.

В рамках моделирования были использованы следующие упрощения: свойства материалов были приняты линейными, независимыми от температуры; контакт между покрытиями и подложкой считался идеальным; пористостью покрытий пренебрегли. Моделирование проводилось для импульсного и непрерывного режима работы лазера (частота повторения импульсов 100 кГц). Плотность мощности излучения 0.15 МВт/см2, диаметр пучка ЛИ 25 мкм, длительность импульса 160 нс. Результаты моделирования температуры и напряжений о22 представлены на рисунке 6.

1,5 Л5

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20

(А) Длина подложки, мм

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20

(Б) Длина подложки, мм

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20

(Г) Длина подложки, мм

Рисунок 6 - Распределения температура (красные линии) и термически индуцированных напряжений (синие линии) при смещениях пучка равных 0 (а) 1 (б), 2 (в) и 2,5 (г) диаметрам

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ахмадуллин Радик Минзагитович, 2021 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Riede W„ Allenspacher P. Laser damage test bench for space optics // Proc. ICSO. 2004. 2017. V. 10568. P. 486-491.

2. Ristau D., Balasa I., Jensen L. Standardization in optics characterization // Laser-Induced Damage in Optical Materials 2018: 50th Anniversary Conf. 2018. V. 10805. P. 30-43.

3. Neufeld 0., Cohen O. Optical chirality in nonlinear optics: Application to high harmonic generation // Phys. Rev. Lett. 2018. V. 120. № 1-3. P. 133206.

4. Divliansky I., Kompan F., Hale E„ et al. Wavefront shaping' optical elements recorded in photo-thermo-re-fractive glass // Appl. Opt. 2019. V. 58. № 13. P. D61-D67.

5. Divliansky I., Kompan F., Hale E., et al. High power laser mode conversion with volume phase elements recorded in PTR glass I I Proc. SPIE. 2019. V. 10904.

6. Stratan A., Zorilaet A., Rusenal L„ et al. Automated test station for laser-induced damage threshold measurements according' to ISO 21254-1,2,3,4 standards // Proc. SPIE. 2012. V. 8530. P. 85301Y.

7. Aeronautics N. Laser-induced damage threshold and certification procedures for optical materials // NASA Reference Publication 1395. 1997. P. 1-7.

8. MumunA.O., Орешков В.И. Разработка и анализ методов исследования лучевой прочности оптических покрытий // Вестник РГРТУ. 2016. Т. 55. С. 172-177.

9. DingL., GoshtasbyA. Oil the Canny edge detector // Pattern Recognit. 2001. V. 34. № 5. P. 721-72 5.

10. Гагарский С.В., Ермолаев B.C., Сергеев А.Н. и др. Исследование лучевой прочности диэлектрических покрытий, нанесенных на оптическую поверхность // Изв. вузов. Приборостроение. 2012. Т. 55. № 7. С. 80-85.

11. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений М.: Техносфера, 2005. 1081 с.

12. Viola P., Jones М. Rapid object detection using a boosted cascade of simple features // CVPR. 2001. V. 1. № 2. P. 19.

13. Viola P., Jones M. Robust real-time face detection // Int. J. Comput. Vis. 2004. V. 57. № 2. P. 137-154.

14. Жизняков А.Л., Привезенцев Д.Г. Анализ возможностей применения фрактальных методов в промышленных системах обработки изображений // Тр. Междунар. симп. «Надежность и качество». 2012. Т. 2. С. 385 386.

15. Овсянников В.Е., Терещенко В.Ю. Анализ фрактальной размерности профиля шероховатости выглаженной поверхности //Докл. ТУСУРа. 2015. Т. 1. № 35. С. 142-147.

16. Grizzi F„ Castello A., Qehajaj D„ et al. The complexity and fractal geometry of nuclear medicine images // Molecular Imaging and Biology. 2018. V. 21. № 6. P. 401-409.

17. Тренихин BA., Коберниченко В.Г. Повышение информативности радиолокационных изображений в системах дистанционного зондирования Земли на основе методов фрактальной обработки // Ural Radio Eng. J. 2019. V. 3. № 2. P. 111-131.

18. Усманова Ф.С., Прокопенко B.T., Матвеев Н.В. и др. Метод оценивания визуальной сложности динамических изображений // Изв. вузов. Приборостроение. 2019. Т. 62. № 5. С. 433-441.

19. FengJ., Lin W.. Chen С. Fractional box-counting approach to fractal dimension estimation // Proc. 13th Intern. Conf. Pattern Recognition. 1996. V. 2. P. 854-858.

20. Александров П.С., Пасыгков Б.А. Введение в теорию размерности. Введение в теорию топологических пространств и общую теорию размерности. М.: Наука, 1973. 577 с.

21. Dewra S., Grouer V., GroverA. Fabrication and applications of fiber Bragg grating — a review // Adv. Eng. Tec. Appl. 2015. V. 4. № 2. P. 15-25.

22. Glebova L„ Lumeau J., Glebov L. B. Photo-thermo-refractive glass co-doped with Nd3+ as a new laser medium // Opt. Mater. (Arnst). 2011. V. 33. № 12. P. 1970-1974.

23. Glebov L. High-performance solid-state and fiber lasers controlled by volume Bragg gratings // Rev. Laser Eng. 2013. V. 41. № 1. P. 684-690.

24. Nikonorov N.V., Ivanov SA., Kozlova D.A., et al. Effect of rare-earth-dopants on Bragg gratings recording in PTR glasses // Proc. SPIE — Int. Soc. Opt. Eng. 2017. V. 10233. № 5. P. 102330P1-102330P8.

25. Kompan F„ Divliansky I„ Smirnov V., et al. Complex holographic elements in photo-thermo-refractive glass for the visible spectral region // Proc. SPIE — Int. Soc. Opt. Eng. 2017. V. 10085. P. 1-11.