بخشی از مقاله
چکیده-
دستگاه اندازه گیري آستانه تخریب اتوماتیک جهت انجام دقیق تخریب القائی لیزري طراحی و ساخته شده است که امکان آنالیز ناحیه تست؛ قبل، در هنگام و بعد از تابش لیزر را اجازه می دهد. اندازهگیري پروفایل فضائی و زمانی باریکه، انرژي و همچنین مشاهده تخریب به طور همزمان با تابش لیزر انجام میشوند. شیوة آزمایش مبتنی بر روش استاندارد بین المللی - ISO 11254 - میباشد.
آستانه تخریب، از برونیابی خطی ضرایب احتمال تخریب وابسته به چگالی انرژي محاسبه میشود. همچنین آستانه تخریب سطحی قطعه BK7 با انعکاس بالا براي طول موج 1064 نانومتر اندازه گیري شده است. بیشتر از 100 نقطه متفاوت روي سطح قطعه توسط لیزر Nd:YAGسؤییچ شدةQ با پهناي پالس 10-12 نانوثانیه و پروفایل فضائی گاؤسینی تابیده شدهاند. آستانه تخریب براي قطعه ذکر شده 33j/cm2 بدست آمده است.
-1 مقدمه
قطعات اپتیکی در اثر تابش لیزرهائی با انرژي و یا توان بالا تخریب میشوند. در هر سطح انرژي لیزر، احتمال تخریب سطح یک قطعه نسبت به حجم آن بیشتر است. بنابراین عامل محدود کننده استفاده از یک قطعه اپتیکی آستانه تخریب سطح آن می باشد2]،.[1 تستهاي اندازهگیري آستانه تخریب قطعات اپتیکی معمولاً ساختار سادهاي دارند.
نقاط مختلف روي قطعه توسط لیزر تست با انرژي یا توان مشخص تابیده میشوند و حالتهاي مختلف تخریب ثبت می شوند 1]،.[3 مساله اصلی، کیفیت و دقت اندازهگیري است.
تست تخریب لیزري قطعات اپتیکی مشابه توسط لیزرهائی با طول موج و پهناي پالس یکسان در آزمایشگاههاي مختلف نتایج یکسان و قابل مقایسهاي نمیدهند که این ممکن است بنا به دلایل زیر باشد :
-1 هیچ دو نوع قطعهاي کاملاً مشابه نیستند.
-2 پارامترهاي زیادي در اندازهگیري دخیل هستند که روشهاي بدست آوردن آنها ممکن است متفاوت باشد.
-3 وسایل اندازهگیري پارامترهاي مورد نیاز براي تعیین آستانه تخریب، داراي دقت متفاوتی هستند.
-4 درصد پایداري پارامترهاي لیزر مورد استفاده در اندازهگیري متفاوتند.
بنابراین وجود یک استاندارد بینالمللی براي تعیین آستانه تخریب منجر به بهبود قابل توجهی خواهد شد1]،.[3 استاندارد بین المللی ISO 11254 یک روش براي بدست آوردن نتایج اندازهگیري سازگار مابین آزمایشگاههاي متفاوت منتشر کرده است
یکی از قسمتهاي این استاندارد روش 1 - و1 - 1 میباشد که هر نقطه روي سطح قطعه توسط یک پالس لیزر تابیده میشود .[1] براي هر چگالی انرژي یا توان، حداقل 10 نقطه متفاوت روي سطح قطعه توسط لیزر تابیده میشود و درصد تخریب به ازاي هر چگالی انرژي بدست میآید.
دادههاي بدست آمده بر حسب چگالی انرژي مرتب میشوند و نهایتًا نمودار ضریب احتمال تخریب بر حسب چگالی انرژي رسم شده و محل تقاطع برونیابی خطی دادهها با محور انرژي، آستانه تخریب را نتیجه میدهد .[6]
در این تحقیق سیستم اندازهگیري آستانه تخریب قطعات اپتیکی طراحی و ساخته شد و با استفاده از روش استاندارد بین المللی 1 - و - 1 نمونههاي مختلفی مورد آزمایش قرار گرفت. این روش آزمون براي همه سیستمهاي لیزري صرفنظر ازپهناي پالس و طول موج و همچنین لیزرهاي پیوسته قابل استفاده میباشد.
-2 روش ساخت
دستگاه تست تخریب لیزري ساخته شده در این پروژه به طور شماتیک در شکل - 1 - نشان داده شده است. سیستم لیزر مورد استفاده لیزر Nd:YAGسؤییچ شده Q و تولید کنننده پالسهاي 10- 12 ns در طول موج1064 nm و فرکانس 1Hz میباشد. این لیزر با مشخصات فوق مربوط به گروه پالسهاي کوتاه از گروه چهارگانه لیست شده در استاندارد بینالمللی میباشد
لیزر مورد استفاده باید تولید کننده پالسهائی با پروفایل فضائی شبه گاوسی2 یا شبه قله تخت3 تکرارپذیر باشد. پروفایل فضائی پالس توسط یک دوربین CCD که به کامپیوتر متصل است دریافت میشود و سپس با استفاده از نرمافزار 4 LBA مورد تحلیل و پردازش قرار میگیرد. انرژي یا توان پالس توسط یک آشکارساز کالیبره شده اندازهگیري میشود و پروفایل زمانی توسط یک اسیلوسکوپ دیجیتالی آنالیز میشود. با این دادهها، اندازه مؤثر قطر باریکه، پهناي مؤثر پالس و چگالی انرژي یا توان که براي اندازهگیري به روش استاندارد مورد نیاز میباشند به دست میآید. تضعیف کننده هاي متغیر شامل λ/2 و پلاریزور میباشند که با استفاده از آنها میتوان خروجی لیزر را به سطح انرژي یا توان مورد نیاز تغییر داد.
باریکه توسط یک شکافننده به دو قسمت با درصدهاي متفاوت تقسیم میشود که قسمت بازتاب آن وارد دوربین میشود و قسمت عبوري آن دوباره توسط یک شکافننده دیگر به دو قسمت تقسیم میشود. قسمت بازتاب این شکافننده براي اندازهگیري انرژي وارد دستگاه ژول متر میشود و باریکه عبوري سپس توسط یک لنز کوژ-مسطح با فاصله کانونی 200mm روي نمونه متمرکز می شود. قطعه تست توسط یک نگاهدارنده که جابجائی دقیق نقاط روي سطح قطعه را فراهم میکند؛ نگاه داشته میشود. سطح قطعه قبل و بعد از تست باید توسط یک سیستم میکروسکوپ با حساسیت بالا بررسی شود. بررسی ما با یک میکروسکوپ اپتیکی با بزرگنمائی 100×-150× انجام شده است. همچنین از یک لیزر شاخص He:Ne در این پروسه استفاده میگردد.
قطعات اپتیکی مورد استفاده جهت جلوگیري از جابجائی آنها و خارج نشدن از حالت تنظیم داخل یک جعبه قرار داده شدهاند و تمامی ابزارهاي اندازهگیري در خارج از جعبه قرار داده میشوند. دستگاه مذکور به عنوان یک واحد صنعتی به آسانی قابل استفاده در سایر آزمایشگاههاي علمی و تحقیقاتی میباشد. با توجه به اینکه کلیه مراحل تست نمونهها با این دستگاه با استفاده ازروش استاندارد به طور همزمان بدست میآیند پارامترهاي دخیل به راحتی قابل مشاهده و کنترل هستند. بنابراین انتظار میرود دادههاي بدست آمده از این دستگاه با نتایج مشابه سایرین تطابق بسیار خوبی داشته باشند.
شکل -1 شماتیک دستگاه اندازه گیري آستانه تخریب
-3 روش تست مطابق با استاندارد
قبل از انجام تست باید توجه کرد که طول موج، زاویه فرودي وپلاریزاسیون تابش لیزري که براي تست قطعه استفاده میشود باید با ویژگیهایی که توسط کارخانه سازنده براي استفاده از قطعه ذکر شده است متناظر باشد.نگهداري، پاك کردن و آمادهسازي قطعات نیز باید مطابق با ویژگیهاي ذکر شده توسط کارخانه سازنده باشد. در صورتی که این ویژگیها موجود نباشند روش زیر باید اجرا شود :[1]
-1 قطعه باید در رطوبت کمتر از %50 از 24 ساعت قبل از تست نگاهداشته شود.
-2 قبل از تست از کیفیت و تمیزي سطح، یک بررسی میکروسکوپی در مد نومارسکوپی یا Dark-field
با بزرگنمائی 150 × از سطح قطعه مطابق با استاندارد
-3 اگر آلودگی روي قطعه دیده شد سطح باید تمیز شود و روش تمیز کردن در گزارش نهائی تست باید ذکر شود.
-4 محیطی که در آن تست انجام میشود باید هواي فیلتر شده با رطوبت کمتر از %50 باشد.
روش اندازهگیري ISO مبتنی برروش محاسبه درصد تخریب میباشد. نقاط مختلفی روي سطح نمونه با چگالیهاي متفاوت انرژي یا توان تابیده میشوند و براي هر انرژي پالس یا توان باریکه حداقل 10 نقطه متفاوت روي سطح نمونه توسط لیزر تابیده میشود. کسري از نقاطی که به ازاي هر مقدار چگالی انرژي یا توان تخریب میشوند را ثبت کرده و ضریب احتمال تخریب براي هر مقدار چگالی انرژي یا توان محاسبه میشود. سپس با استفاده از دادههاي تجربی بدست آمده نمودار ضریب احتمال تخریب بر حسب انرژي یا توان را رسم نموده و با برونیابی خطی دادههاي ضریب احتمال تخریب به احتمال صفر، آستانه انرژي تخریب را بدست میآوریم.
که εf عدم قطعیت نسبی در چگالی انرژي اندازهگیري شده میباشد.
-5 روش آزمایش و آنالیز دادهها
با استفاده از روش استاندارد و محاسبات فوق، نمونه 1HR BK7 مورد آزمایش قرار گرفت. سایر پارامترهاي تجربی در جدول 1 نشان داده شده است.
-4 محاسبه آستانه تخریب
مرحله آخر ارزیابی دادههاي بدست آمده را شامل میشود.
آستانه تخریب و عدم قطعیت در نتیجه تست با برونیابی خطی ضرایب احتمال تخریب اندازهگیري شده بدست میآید. براي هر سطح چگالی انرژي Hi ضریب احتمال تخریب Ρi به صورت زیر محاسبه میشود:
که niD تعداد نقاط تخریب شده و niND تعداد نقاط تخریب نشده میباشند.
عدم قطعیت براي هر نقطه iام در مجموعه دادهها با استفاده از رابطه زیر محاسبه میشود:
جدول -1 پارامترهاي تجربی مورد استفاده در آزمایش
شکل 2 پروفایل دو بعدي و سه بعدي لیزر را نشان میدهد.
