一種實(shí)時(shí)檢測(cè)激光損傷非透明材料的應(yīng)力的裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種實(shí)時(shí)檢測(cè)激光損傷非透明材料的應(yīng)力的裝置與方法，屬于激光應(yīng) 用技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光作用材料過(guò)程中，材料吸收激光能量導(dǎo)致溫度升高，進(jìn)而在激光作用材料區(qū) 域及其附近形成溫度梯度和熱應(yīng)力應(yīng)變。目前，材料中殘余應(yīng)力檢測(cè)無(wú)損方法主要是X射線 衍射法、中子衍射法、磁性法、超聲法以及壓痕應(yīng)變法等。射線法理論完善，但因有射線傷害 和僅能測(cè)定表面應(yīng)力使其應(yīng)用受到很大限制;磁性法根據(jù)鐵磁體磁飽和過(guò)程中應(yīng)力與磁化 曲線之間的變化關(guān)系進(jìn)行測(cè)定，在一定范圍內(nèi)適用;壓痕應(yīng)變法采用電阻應(yīng)變片作為測(cè)量 用敏感元件，在應(yīng)變中心部位采用沖擊加載制造壓痕以代替鉆孔，通過(guò)應(yīng)變儀記錄壓痕區(qū) 外彈性區(qū)應(yīng)變?cè)隽康淖兓?，從而獲得對(duì)應(yīng)于殘余應(yīng)力大小的真實(shí)彈性應(yīng)變，求出殘余應(yīng)力 的大小。但是，射線法直接對(duì)待損傷材料表面造成傷害;而鐵磁體需裝到材料表面才能測(cè)量 到激光作用表面淺層應(yīng)力，會(huì)遮擋了激光光路;壓痕應(yīng)變法需要緊貼在材料背面，當(dāng)激光作 用過(guò)程中材料表面應(yīng)變太小，導(dǎo)致測(cè)量誤差大。同時(shí)，這些方法很難快速響應(yīng)亞ms量級(jí)以上 的應(yīng)力應(yīng)變演化。因此，滿足不了激光作用材料過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變演化過(guò)程的測(cè)量。
[0003] 光學(xué)干涉計(jì)量在材料微小形變檢測(cè)、光學(xué)介質(zhì)的折射率測(cè)量以及光學(xué)波前檢測(cè)等 方面有著廣泛應(yīng)用，如利用干涉儀檢測(cè)光學(xué)加工中鏡面平行度和粗糙度等。它們通常利用 光線穿透介質(zhì)，計(jì)算光程差獲得該透明介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面結(jié)構(gòu)信息;但是，沒(méi)有利用干 涉儀檢測(cè)表面微結(jié)構(gòu)變化引起反射光線的光程變化，獲得內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致的表面結(jié)構(gòu)變化及 其表面結(jié)構(gòu)本身變化的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決已有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種實(shí)時(shí)檢測(cè)激光損傷非透明材料 的應(yīng)力的裝置與方法，實(shí)現(xiàn)非透明目標(biāo)在線應(yīng)力的測(cè)試。針對(duì)大功率固體激光器與非透明 介質(zhì)的相互作用，采用馬赫-曾德?tīng)柛缮娴姆椒?，得到非透明介質(zhì)損傷的干涉條紋;計(jì)算應(yīng) 變和應(yīng)力值。
[0005] 本發(fā)明提供的一種實(shí)時(shí)檢測(cè)激光損傷非透明材料的應(yīng)力的裝置包括窄線寬半導(dǎo) 體激光器，第一分光鏡，參考目標(biāo)物，第二分光鏡，第一凸透鏡，干涉濾光片，高速相機(jī)，計(jì)算 機(jī)，DG535脈沖觸發(fā)器，固體脈沖激光器，能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，第二凸透鏡;所述的第一分光鏡、 第二分光鏡相同，均為對(duì)45°入射的窄線寬半導(dǎo)體激光半反半透的分光鏡，大功率固體激光 器為激光光源，窄線寬半導(dǎo)體激光器為干涉光源，能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)為一對(duì)損傷閾值大于 500MW/cm 2的格蘭激光棱鏡，外套一個(gè)光垃圾圓筒防止垂直光路方向的激光逃逸危險(xiǎn)，其中 的第一個(gè)棱鏡將激光調(diào)制為水平方向線偏振，其中的第二個(gè)棱鏡偏振軸可在光束橫截面內(nèi) 旋轉(zhuǎn)，以便激光強(qiáng)度可連續(xù)衰減;DG535脈沖觸發(fā)器與高速相機(jī)連接，DG535脈沖觸發(fā)器用于 接收大功率固體激光器發(fā)出的高能量脈沖激光預(yù)發(fā)射時(shí)間信號(hào)，給高速相機(jī)發(fā)出與大功率 固體激光器發(fā)射激光同步的工作指令，高速相機(jī)接收到干涉光源形成的干涉信息后轉(zhuǎn)移到 計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)和運(yùn)行計(jì)算光程差、應(yīng)力值的軟件程序、描繪應(yīng)力演變過(guò)程 的變化曲線的商用origin軟件程序； 特別要強(qiáng)調(diào)的是:所述的參考目標(biāo)物作為反射鏡使用，而且，參考目標(biāo)物和目標(biāo)物相 同，兩者分別用可調(diào)式底片固定架裝卸，該固定架的一邊位置固定，另一邊可調(diào)，兩個(gè)目標(biāo) 物前表面均用限位釘限制位置，方便參考目標(biāo)物和目標(biāo)物的裝卸，且保證等光程； 所述的窄線寬半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光通過(guò)第一分光鏡分光，其中的第一路光作為參 考臂光，其中的第二路光作為測(cè)量臂光，參考臂光反射到參考目標(biāo)物，再反射到第二分光鏡 并再次被反射到第一凸透鏡； 固體脈沖激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和第二凸透鏡匯聚，照射到目標(biāo)物上， 同時(shí)，測(cè)量臂光也照射到目標(biāo)物表面上，并被目標(biāo)物的表面反射，再經(jīng)第二分光鏡透射，測(cè) 量臂光和參考臂光同時(shí)經(jīng)第一凸透鏡聚集，再經(jīng)干涉濾光片，干涉濾光片濾除固體脈沖激 光器發(fā)射的激光在此光路上形成的干擾光，最后在高速相機(jī)位置形成清晰的干涉圖，最后 所有數(shù)據(jù)匯總到計(jì)算機(jī)上處理并保存;所述的高速相機(jī)與固體脈沖激光器同步觸發(fā)。
[0006] 所以用參考目標(biāo)物作參考目標(biāo)，是為了使所述的參考臂光和測(cè)量臂光等光強(qiáng)。這 是本發(fā)明的技術(shù)方案中至關(guān)重要的一點(diǎn)； 所述的窄線寬半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)優(yōu)選為532nm，線寬小于或等于0.7 nm，高速相機(jī)的 幀頻等于或大于10000幀/s，每lms脈沖可以采集10幀激光實(shí)時(shí)作用產(chǎn)生的干涉條紋，可以 形成瞬態(tài)探測(cè)與記錄，由于應(yīng)變?cè)诩す馔Ｖ棺饔煤笕匀挥醒莼虼烁咚傧鄼C(jī)繼續(xù)探測(cè)，直 至恢復(fù)到初始時(shí)刻的干涉條紋形式。
[0007] 本發(fā)明提供的一種實(shí)時(shí)檢測(cè)激光損傷非透明材料的應(yīng)力的方法，步驟和條件如 下： (1) 制備一對(duì)厚度為0.4mm,邊長(zhǎng)為12mm的單晶娃樣品，分別為目標(biāo)物和參考目標(biāo)物，可 保持實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與參考目標(biāo)有相同的反射率以及光強(qiáng)。要求表面光滑，表面粗糙度不大于〇. 4 ym，分別安裝到可調(diào)式底片固定架上； (2) 打開(kāi)計(jì)算機(jī)和高速相機(jī)，設(shè)置高速相機(jī)的自動(dòng)采集，在計(jì)算機(jī)顯示屏上顯示其灰度 界面； (3) 開(kāi)啟窄線寬半導(dǎo)體激光器，調(diào)節(jié)電流值，以便高速相機(jī)探測(cè)到清晰的干涉圖； (4) 固體脈沖激光器分別采用的脈寬為lms，能量分別為1J，通過(guò)干涉條紋的變化可知 不同能量不同脈寬的應(yīng)力的大?。?(5) 設(shè)置高速相機(jī)的觸發(fā)方式為外觸發(fā)； (6) 打開(kāi)DG535脈沖觸發(fā)器，設(shè)置固體脈沖激光器預(yù)觸發(fā)時(shí)間和高速相機(jī)的觸發(fā)脈沖延 遲時(shí)間； (7) 打開(kāi)固體脈沖激光器的輻射激光按鈕，激光在1 s鐘后輻射，同時(shí)，高速相機(jī)接收一 個(gè)激光脈沖內(nèi)的干涉演變圖像； 通過(guò)對(duì)高速相機(jī)上每一幀干涉條紋的變化，用計(jì)算機(jī)處理，對(duì)高速相機(jī)上每一幀干涉 條紋帶入公式
及公式
計(jì)算得出非透明介質(zhì)的光程差。
[0008] 公式（1)適合于出現(xiàn)大的熔融區(qū)時(shí)的等厚干涉條紋在激光損傷材質(zhì)表面過(guò)程中， 未出現(xiàn)大的熔融區(qū)時(shí)以公式（1)進(jìn)行計(jì)算，公式（1)中N為這條曲線越過(guò)的條紋整數(shù)，為這條 曲線越過(guò)的條紋小數(shù)。
[0009] 公式(2)適合于等傾干涉條紋，公式(2)中為入射角，d為厚度，k為干涉條紋級(jí)序， 為波長(zhǎng)。
[0010] 對(duì)中心點(diǎn)，為計(jì)算簡(jiǎn)便考慮光程差投影在x，y方向相等的情況，直角坐標(biāo)系1、7和2 三方向的應(yīng)變值為：
利用廣義胡克(Hooke)定律，硅晶體是金剛石結(jié)構(gòu)，根據(jù)晶體物理學(xué)相關(guān)知識(shí)，利用金 剛石結(jié)構(gòu)的對(duì)稱關(guān)系，當(dāng)選擇三個(gè)坐標(biāo)軸X，y，Z方向與晶體的[100]，[010]，[001 ]方向一致 時(shí)，單晶硅任意一點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變之間滿足的本構(gòu)方程可以寫(xiě)成如下形式，
其中、、分別為x、y、z方向上的應(yīng)力值，為應(yīng)變，C11、C12、C44為彈性系數(shù)，C11 = 165.7GPa、C12 = 63.9GPa、C44 = 76.9GPa。將應(yīng)變值、、帶入上述公式，計(jì)算得到結(jié)果。
[0011 ]計(jì)算得到的應(yīng)力值通過(guò)商用origin軟件描繪出應(yīng)力演變過(guò)程的變化曲線。
[0012] 測(cè)試裝置原理為:在光路中加入兩個(gè)相同的對(duì)入射激光高透、對(duì)可見(jiàn)光高反的第 一分光鏡2、第二分光鏡5。為了避免使相機(jī)遭到激光損傷，在高速相機(jī)8前加干涉濾光片7， 濾掉殘余的反射激光，同時(shí)衰減到達(dá)高速相機(jī)8的背光強(qiáng)度，以防高速相機(jī)8飽和而不能正 常拍攝損傷形貌。利用高速相機(jī)8與固體脈沖